大功率LED低热阻封装技术进展

摘要 大功率LED是照明行业的重要技术之一，其具有很多优势，比如体积小、寿命长、耐候性强、发热小、方向性好等，这些特点使得其在行业内得到了各使用单位的广泛认可。在大功率LED技术的研发中，封装技术是其主要的研究项目之一。封装技术的先进性与可行性，直接决定着大功率LED使用性能以及其寿命。因此，相关单位必须要高度重视大功率LED低热阻封装技术的研究。

关键字 大功率LED；低热阻；封装技术

中图分类号TM923 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）110-0172-02

就目前大功率LED器件的使用现状而言，其输入功率的70%~90%都会转变为热量，而且LED的芯片都较小，因此散热便成为了大功率LED封装过程中必须要解决的问题。影响大功率LED器件散热效果的原因众多，比如大功率LED芯片的结构、散热基板材料的性能情况、热界面材料的性能情况、封装结构、封装工艺等。通过研究可知，大功率LED器件的封装技术直接影响着器件的发光效率以及其使用寿命。为了提高封装质量，很多企业都采用降低热阻的方式。

1大功率LED低热阻封装技术分析

一般而言，大功率LED模组的封装结构主要有三条散热途径（如图1所示）：（1）从“芯片”到“荧光粉胶层”再到“硅胶透镜”最后到“环境”；（2）从“芯片”到“金线”到“电极引脚”到“环境”；（3）从“芯片”到“TIM”到“散热基板”到“热沉”到“环境”。

图1 大功率LED模组的散热途径示意图

从图中不难看出，其中前两条散热途径的散热量有限，很多热量都是通过第三条途径消耗掉的。因此，研究第三条散热途径就是研究大功率LED低热阻封装技术的关键。

大功率LED热阻是指在LED点亮以后，当热量传导比较稳定时，芯片耗散1W功率，PN结与环境之间的温度差。热阻愈大，表示热量传递的效果愈差，器件内部的温度就会升高，影响到器件的使用效果和寿命。图2是大功率LED封装结构热阻示意图。

图2 大功率LED封装结构热阻示意图

大功率LED器件的总热阻（Rtotal）是由各个环节的热阻串联而成的，可以用以下式子进行表示：

Rtotal=Rchip+ Rchip―DBC+RDBC―HK+RHK+RHK--―air

其中，DBC表示散热基板。研究发现，Rchip―DBC是影响大功率LED热阻高低的关键，且大功率LED的热阻并非常数，而是随着外部环境温度的变化、热沉面积的变化、布置方向的变化、芯片功率的变化而不断的改变。

2 影响大功率LED热阻的因素

影响大功率LED热阻的因素有很多，主要包括三个方面，即芯片结构、封装材料、封装结构及封装工艺。

2.1 芯片结构方面的影响

目前，大功率LED芯片有源层的主要材料是GaN，不过GaN薄膜在体单晶GaN上无法进行同质外延，主要是采用MOCVD技术进行支撑衬底而生成。目前常用的支撑衬底材料有SiC（碳化硅）、Si（硅）以及a―Al203（蓝宝石）。

1）碳化硅的化学、热学、电学、力学性质都比较突出，以其为支撑衬底材料能够起到较好的散热作用，现今这种技术主要被Cree公司垄断。不过，这种技术也存在着一定的缺点，因为热量的传导方式主要是自上而下完成，故而上部的碳化硅高热导率并不明显；

2）以硅为支撑衬底材料的技术尚处于开发时期，因其具备面积大、导热性能好、成本低、质量高等优势，使得其发展潜力极大。同时，以硅衬底为基础生成的GaN薄膜，还可以有效的实现微电子与光电子的集成；

3）对于以蓝宝石为主的支撑衬底材料而言，GaN芯片主要有正装与倒装两种。其中，倒装形式的散热效果比之于正装形式更为突出，其原因是倒装结构的散热主要是通过硅片以及金属凸点完成，而正装结构的散热则是通过蓝宝石层完成，故而其传热效果并不显著。现今在倒装结构中，主要是采用金属凸点进行散热，不仅导热能力强，而且温度适应性也极为突出。

2.2封装材料方面的影响

对于大功率LED而言，改善其散热的关键是减少界面热阻。因此，必须要重视热界面材料以及散热基板材料的选择。

1）热界面材料是大功率LED封装技术中非常重要的材料，现今常用的热界面材料有导热胶、金属焊膏以及导电银胶等；

2）散热基板的主要作用是利用散热材料的导热作用将大功率LED芯片的热量导出，因此其材料质量显得极为关键。现今常用的散热基板材料有PCB（印刷电路板）、MCPCB（金属核印刷电路板）、BDC（直接键合铜基板）。

2.3封装结构及封装工艺方面的影响

封装结构和封装工艺是影响大功率LED散热的关键。首先，从封装结构来说，现今主要有三种型式：SMT（表面组装型）、COB（板上芯片型）、WLP（圆片级封装型）。具体采用何种型式对大功率LED进行封装，这需要根据具体情况而定。其次，对于封装工艺而言，其对大功率LED热阻的影响一般来说都体现在界面热阻方面。现今，在热界面材料导热效率不断提高的基础上，接触电阻已经成为了界面热阻的关键组成部分。经过研究发现，如果基板的表面发生氧化、界面气泡等缺陷，都会影响到接触电阻。因为基板材料和热界面材料之间的CTE不能匹配起来，导致接触界面可能出现界面间隙亦或是脱层。另外，基板翘曲也会在一定程度上影响到大功率LED的局部散热效果。

3 结论

总而言之，大功率LED低热阻封装技术尚处于发展阶段，虽然现今在该技术的诸多方面都取得了较好的成绩，但是依然存在着一些问题。相关企业必须要高度重视大功率LED低热阻封装技术的研究工作，进一步强化大功率LED的散热效果。

参考文献

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[2]方亮，钟前刚，何建，等.大功率LED封装用散热铝基板的制备与性能研究[J].材料导报，2011，25(2):130-134.