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大功率LED散热技术研究进展

时间:2014-01-05 10:02来源:未知 作者:guangsheng 点击:
  1引言
  白光LED照明是基于电致发光原理,通过LED芯片发出单色光,再进一步激发荧光粉复合发出白光。
作为第四代照明光源,LED以其维护费用低、寿命长、抗震性好、功耗小和环境友好等优势而受到世界各
国的重视,被广泛用于指示灯、显示屏、背光源、景观照明、交通等,据报道[],2012年全球LED照明市
场产值达870亿美元,并将保持5~7%的速度增长。
  人们一般将1W及以上的LED称为大功率LED。目前常见的大功率LED分为单芯片大尺寸和多芯片小尺
寸模组两种。单芯片大尺寸要求单颗芯片功率大,应用较少,目前主要应用多颗大功率LED芯片组合发光
模组[]。LED属高热流密度器件,热能主要通过芯片底部散出,芯片的热能难以快速导出,所以LED散热一
直是大功率LED产品非常重要的问题,LED封装基板、散热器的性能对大功率LED产品散热非常关键。
  2 大功率LED结构
  目前,LED芯片结构上分为三大类:水平结构、倒装结构、垂直结构。
  2.1水平结构
  水平结构是一种传统芯片结构,如图1所示,其正负极均位于芯片顶面,同时采用蓝宝石作为衬底。有
源区发出的光经由P型GaN区和透明电极射出,该结构技术成本低,制作工艺相对成熟。主要存在的缺点是:
a、正负极均位于顶面,电流须横穿N型GaN层,导致电流拥挤,局部(拐角处)发热量较大,限制了驱动电流;
b、蓝宝石材料导热性差,封装热阻高。

  图1 水平结构示意图
  2.2倒装结构
  倒装结构正好是水平结构的倒装,如图2所示。此结构将芯片通过焊料倒装在高导热衬底上,与水平结构
相比,主要热量不经过蓝宝石导出,因此较水平结构散热性大大增强,提高了LED芯片可承受的电功率,但是
此结构较水平结构局部发热量较大问题并未改善,同样限制了驱动电流。

  图2 倒装结构示意图
  2.3垂直结构
  垂直结构[]利用激光剥离和衬底转移技术,将GaN从蓝宝石上剥离并转移至衬底上,图3给出了垂直结构的
示意图。芯片顶面和底面各作为一个电极,这样,电子的运动方向垂直于有源层,有源区利用率大大提高。衬
底剥离后,其顶面、侧面均可出光。垂直结构不存在局部发热量过大的问题,而且该结构能在保证光效的情况
下,采用较大的驱动电流,这样其光强大大强于前述两种结构,因此垂直结构是半导体照明领域发展的主要趋
势。

  图3 垂直结构示意图
  表1例举了世界五大LED芯片公司主要领先技术,最近Cree基于其独创的SC3技术(第三代垂直结构碳化硅技
术),推出了XLamp MK-R型LED,其光通量高达200lm/W,是LED产业界的里程碑式产品;而欧司朗基于其薄膜芯
片技术制作了一款红外薄膜芯片,该芯片在工作电流为100mA,面积为1 mm2的情况下,创下了72%的能效新记
录。

  表1 世界五大LED芯片公司领先技术3 大功率LED散热不良导致的危害
  小功率LED,尺寸小,功率低(<1W),热量可以通过引脚导出。大功率LED(>1W),目前光电转换率约为10%
-20%左右,其余均转换成热能,如一个面积为1*1mm²的3W的 LED芯片,如果其光电转换效率为20%,则有2.4W
的热量产生,其热流密度为240W/ cm²,可见大功率LED的热流密度非常大,如果热量不能及时的排出,其导致的
危害主要在以下几个方面:
  3.1显色性变差
  随着LED芯片结温升高,产生热效应引起带隙收缩,电子在晶体中的共有化运动加快,能级分裂严重,使得禁
带宽度减小,导致峰值波长向长波方向移动,即发生波长红移,而波长红移会导致显色指数下降;温度升高时,晶格
震动加剧,杂质缺陷增多,导致半导体光吸收增强,损耗系数增大,因此内量子效率随温度升高而降低,这样芯片
内部产生蓝光能量减少,并且荧光粉转换效率降低,导致色温升高;此外,LED透镜存在折射率温度效应,温度变化
会影响透镜的折射率,扰乱LED配光曲线。
  3.2可靠性和寿命降低
  一般芯片、基板、引线框架、封装材料外壳、密封胶等通常具有不同的热膨胀系数,当LED工作时,其温度循
环幅度增大,其产生的热效应导致内应力增大,使得LED封装产生微裂缝,随着疲劳的不断传播,微裂缝将逐渐扩
大到临界尺寸,足以造成封装失效;另外粘结材料或芯片—粘结界面的孔洞也能通过扰乱热传导或应力传导机理导致
芯片破裂;高热将损害磁性组件及输出电容器等寿命,使驱动器可靠性降低;典型的LED由光学透明的环氧树脂封装,
温度升高到玻璃转换温度时,环氧树脂由刚性材料转变为弹性材料,热膨胀系数(CET)会有很大的变化,封装树脂膨
胀和收缩产生形变应力,使奥姆接触/固晶接口的位移增大,导致LED开路和突然失效;LED寿命表现为它的光衰,温
度升高时,荧光粉老化加速,透明的环氧树脂会逐渐变形、发黄,温度越高,老化越快。高温时,材料缺陷增殖、
扩展,同时一些杂质也侵入发光区,导致光衰,使得LED使用寿命下降。
  3.3正向电压不稳定
  正向电压是判定 LED 性能的一个重要参量,它的数值取决于半导体材料的特性、芯片尺寸以及器件的成结与电
极制作工艺。一般LED供电电源要求恒流稳压。恒压模式下,随着LED工作温度升高,反向饱和电流增加速度加快,
使得正向压降下降,电功率增大,导致散热量增大;反过来又使得正向压降下降,形成恶性循环,最终导致器件损坏。
  可见,如果散热性差,将导致LED显色性变差、可靠性和寿命降低,同时影响正向压降,严重时甚至导致LED死

4 大功率LED散热技术研究进展

  图4 大功率LED结构图
  LED的主要散热通道有三个,如图4所示
  即:a、芯片—真空—透镜—大气;
  b、芯片—金线—封装基板—散热器—大气;
  c、芯片—封装基板—散热器—大气。
  大功率LED芯片属高热流密度器件,其工作产生大量的热量需要不同的热通道传递至大气,实现与外界的电互联
和热交换。通道a的封装透镜导热率极低,散热量十分有限,通道b虽然金线的导热率非常高,但是由于金线直径小,
其散热量也十分有限,对比可知芯片工作产生的热量,主要由通道c散热,因此目前的研究重点为封装基板及外部散热
器或散热结构上。提高散热能力的主要方法有改善基板散热性能、设计散热性能优良的外部散热器或散热结构。
  4.1封装基板
  封装基板需要较高的导热率和与芯片较匹配的热膨胀系数以及较好的强度和稳定性。目前常用的基板有金属基板
(Al、Cu等)、复合基板、陶瓷基板等。
  4.1.1金属基印刷电路板
  金属基印刷电路板MCPCB(Metal Core PCB)利用一层金属底材(铝或者铜),在基板上附着一层铜箔或者金属线路
板,为防止上下导通,在底材与线路层之间添加高分子材料如环氧树脂作为绝缘层,而绝缘层的导热率极低,导致整
个MCPCB板的导热率低;当金属层受到冲压等影响时,易导致绝缘层变形,从而影响LED产品的耐热性能。MCPCB板
的改进主要在于采用高导热、高耐热材料替代有机绝缘层。Eveliina等基于隔热铝合金系统(IAMS)开发了一种新型基板,
其研究结果表明,用陶瓷材料取代高分子绝缘层,较同条件下使用MCPCB板结温降低7℃,热阻减小27%,能承受较
高的使用温度(660℃),并具有和铝较接近的热膨胀系数。Yu Jin Heo等在室温下,使用气溶胶沉积法,成功将AlN陶瓷
沉积于铝基板上,获得导热率为88.54W/m.K的新型基板。
  4.1.2覆铜陶瓷板
  覆铜陶瓷板DBC(Direct Bonded Copper)是指铜箔等金属(厚度大于0.1mm)覆于Al2O3或AlN陶瓷基片的单面或双面
上,经由高温(1066℃~1083℃)加热,使铜金属高温氧化、扩散与基片材质产生共晶熔体,形成陶瓷复合金属基板,最
后依据线路设计,以蚀刻方式制备电路,DBC基板如图5所示。覆铜陶瓷板中间的绝缘材料为Al2O3或AlN陶瓷基片,它
们的导热率分别为24W/(m.K)和170W/(m.K),DBC基板有着近似于Al2O3/AlN的热膨胀系数。

  图5 DBC结构图
  其主要不足或难点在于金属与陶瓷基片之间反应能力低,共晶烧结时易产生微气孔,采用化学刻蚀方法,其线厚一
般不好控制,如果采用激光刻蚀方法,则成本较高,目前德国Curamik已成功实现批量生产DBC基板。
  4.1.3低温共烧陶瓷基板
  低温共烧陶瓷LTCC(Low-Temperature Co-fired Ceramic)又称多层低温共烧陶瓷,美国休斯公司1982年首先了开
发LTCC技术。该技术将陶瓷/玻璃粉料按比例混合,添加增塑剂、分散剂、粘结剂等有机溶剂,配成膏状浆料,用流延
法制成生坯,其工艺流程为:粉料制备-浆料配制-流延-切片-通孔成型-通孔填充-印刷-叠层-层压-排胶-烧结-检测。其烧
结温度一般低于900℃,这样低于绝大部分金属的熔点,使得无源器件埋入陶瓷中共烧成为可能。Jae-Kwan Sim等设计
了一种新型基板,该基板在LTCC基板中垂直交替阵列Al和Al2O3作为散热通道,使用板上芯片(chip on broad,COB)封
装技术,其研究结果表明:采用LTCC-COB封装技术,封装面与大气之间的热阻为7.3K/W。B. Ma等将Ag膏注入在GaN
基LED芯片正下方LTCC基板的9个阵列通道孔中,并与LTCC基板共烧,其封装热阻为13K/W,使用该技术的LED平均
失效时间(MTTF)大大提高。
  4.1.4半导体硅片
  半导体硅片具有导热率高、与LED芯片材料热失配小、加工技术成熟的优点,非常适合作为大功率LED的散热基板。
特别是随着系统封装(SiP)和三维封装技术的发展,采用穿孔硅(TSV)基板封装LED可大大提高器件集成度和散热能力,
但硅作为一种半导体材料,当温度升高时,电阻率降低,作为基板应用受到了一定的限制。
  4.1.5金属/陶瓷复合材料基板
  金属/陶瓷复合材料基板是未来导热基板发展的一个方向,文献采用液相浸渗铸造技术制备了Al/SiC复合基板,将液
态铝合金浸渗到整体烧结好的陶瓷预制件中。
  铝碳化硅复合基板将Al的高导热性(170~210K/m.K)、低密度(2.7K/cm3)、价格低廉的优点与SiC低热膨胀系数((3.8
~4.7)×10-6/℃)结合起来,具有高导热性(170~210W/m.K)、热膨胀系数低、弹性模量高等优点,可实现与芯片热匹配。
同时可近净成型形状复杂的构件,生产成本较低,在大功率LED、微波集成电路、功率模块和微处器散热板等领域得到广
泛应用。
  MCPCB技术成熟,被大量的生产,目前市面上见到的绝大分LED都是采用的MCPCB板,美国贝格斯是世界生产
MCPCB板的巨头;德国Curamik已实现工业生产DBC板;LTCC技术已经成为微电子领域的发展重点和投资热点,全球专
业制造厂商超过200多家,如美国CTS、日本Murata、韩国Samsung等,近年来,国内有部分科研院所对LTCC进行了
大量的研究,但是还没有一家单位形成批量生产能力。金属/陶瓷复合材料基板是未来导热发展的一个方向。
  4.2 散热器与散热结构
  传统的大功率LED散热技术主要集中在提高芯片底层散热,热量主要依靠单向向下释放,意大利米兰理工大学
Roberto Faranda等提出双向散热技术,该技术将传统LED芯片侵入聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,Faranda等设计2组实
验,A组将芯片侵入制冷液体中,并使用传统陶瓷板及散热翅片;B组完全将LED芯片侵入制冷液体中,B组实验封装结构
如图6所示。侵入越深,其散热效果越好,A组中芯片最低结温可低至50℃,B组对比结果表明,侵入制冷液体中的LED
芯片较完全不侵入任何制冷液体结温降低13℃。

  图6 B组实验结构图
  文献报道了一种合成射流散热技术(synthetic jets),该技术利用一定的频率振动压缩腔内的空气,使空气从细小的喷
嘴高速喷出,喷于散热片上,形成空气流,从而带走热量。具有低能耗、长寿命等优点。美国马里兰大学Bong-Min Song
等将合成射流技术应用于LED筒灯中,其研究结果表明:使用合成射流技术的筒灯在寿命周期内(50000h)温升几乎可忽略。
  韩国仁荷大学Jin-Sung Park等将塞贝克元件(seebeck element)、珀耳帖元件(peltier element)粘接于Al2O3陶瓷基板
与Al质散热片之间。其研究结果表明,增加塞贝克元件的实验组,散热效率较使用普通散热片高9%,较使用珀耳帖元件的
实验组低4%,使用塞贝克元件实验组能耗较珀耳帖元件实验组低9%,且能产生一定的电量。
  台湾国立云林科技大学Ing Youn Chen等基于电子液动力(EHD)技术将离子风(Ionic wind)散热用于LED散热,该技术
的原理是设置一对高压电极,电极电压差高达四千伏,使电极之间的空气离子化,产生离子风,带走芯片表面的热量。该
技术能较好的降低LED热阻、并可实现完全静音,其缺点是为了能产生离子风需要高电压(>4000V),且该技术不耐尘,寿
命无法保证。
  Z.M. Wan等提出了一种多孔介质微热沉LED冷却技术,该结构密封管道内部流动的液体,通过多孔微结构,带走大量
的热量。使用该型技术,当LED表面热流密度为500W/cm2时,散热器最高温度为58.4℃;当内部液体流速为0.5m/s时,其
传热系数高达61.1kW/(m2/℃),因此具有很好的散热性能。
  Lu等将回路热管(Loop heat pipe)用于大功率LED散热,该回路热管包括一个蒸发器,一个冷凝器,一个补偿腔和多个
管道,回路热管是一个铜/水的单元。在稳态条件下,当蒸发器中的水吸收足够的热时就会蒸发成水蒸汽,然后通过蒸汽管
道流入冷凝器,蒸汽冷凝时会把热量释放到周围环境中,最后冷凝的水回流到蒸发器,如此形成一个热循环。
  罗小兵等提出了一种基于微喷射流冷却的封闭系统,整个系统采用封闭形式,由一个微泵驱动系统循环,气体、液体
等均可以作为工作介质,该系统依靠冲击射流良好的换热效果,将热量从LED带入冷却系统从而实现散热,其研究结果表
明该型结构的散热效果很好,其主要缺点是体积大,会带来噪音等。
  美国通用电气(GE)最近公布了一种双压电冷却喷射技术(DPJ:dual piezoelectric cooling jet)用于电子元件的散热中,
该技术利用共振模腔,向电子设备喷射高速气流,其提供的湍动气流比常规对流提高了十五倍的热交换速率。该技术具有
体积小,功耗少,可靠性高等特点,可做为未来大功率LED散热的重要选择。
  5 结束语
  最近Cree公司通过采用新封装技术与基板材料成功制备了光效高达254lm/W的功率型白光LED;而欧司朗成功制作了硅
基氮化镓,非常适合大功率LED的产业化需求。随着大功率LED朝高光通量、高功率方向发展,大功率LED的热流密度不断
增大,而散热不良时,会导致诸如光效降低、可靠性下降、寿命减小等危害,严重影响大功率LED的使用性能。研制具有良
好散热性能的导热基板及散热良好、低功耗、小体积的外部散热器或散热结构是未来解决大功率LED散热的主要趋势。基于
各种基板综合散热性能的比较,金属基复合陶瓷基板具有很强的市场竞争力,未来的应用前景十分广阔。外部散热技术对大
功率LED的散热效果也很关键,尤其是双压电冷却喷射技术将会对未来大功率LED外部散热产生重要影响。
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