大功率led散热和出光的研究进展.docx

大功率led散热和出光的研究进展 0 led封装光学设计 作为一种环保节能的绿色能源和照明技术，近年来大型分布式电源技术得到了迅速发展。大功率LED尚存在散热不畅和出光率不高的问题,因为散热直接影响到LED的可靠性,进而影响到其寿命及应用,而出光率低直接制约了LED的发展,所以对LED散热和封装光学设计的研究就显得格外重要。封装互连材料在提高大功率LED散热和出光方面作用突出,贯穿到LED芯片、器件、系统多个层次。主要封装互连材料有粘结材料、荧光粉、灌封胶、散热基板等。粘结材料和基板是LED散热的关键环节,需要根据不同的应用选择合适的粘结材料和基板。出光率的提高关键在于灌封胶和荧光粉的选择与应用。 1 led热传导 目前LED光电转换效率较低,70%甚至更高的电能要转换成热量。分析LED器件结构和材料组成,发现由于LED封装结构和封装材料的影响,芯片侧表面和上表面的散热能力极差。因此,LED产生的热量绝大部分是通过热传导的方式传到芯片底部的热沉,再以热对流的方式耗散掉。正装芯片与倒装芯片的散热结构都有一个粘结层(如图1),从表1中可以明显看出,在所有传热结构中粘结剂的导热系数最小,所以粘结层对芯片、器件的散热影响最为严重。 1.1 高导热系数填料 环氧树脂和有机硅作为聚合物本身散热性能较差,导热胶是在基体内部加入一些高导热系数的填料,如SiC、AlN、Al2O3、SiO2等,从而提高其导热能力。导热胶的优点是价格低廉,具有绝缘性能,工艺简单,控制也没有银浆那么严格,但导热性普遍较差。 1.2 银浆粘结剂为单一光催化剂法 导电银浆是将银粉加入环氧树脂中形成的一种复合材料,粘贴的硬化温度一般低于200 ℃,具有良好的导热特性、粘结性能可靠等优点,但银浆对光的吸收比较大,导致光效下降。同样条件下,银浆与导热胶相比,初始光通量会相差较多。小功率LED芯片发热量少,所以通过导电银浆作为粘结层完全可以满足散热性好、寿命长及可靠性高的要求。 1.3 au-si共晶键合技术 大功率LED芯片由于发热较多,所以对粘结剂的要求更为严格。一般粘结剂如导热胶、导电银浆都无法满足要求,只能考虑硬钎料,最为常用的钎料有三种:Au-Sn、Au-Ge和Au-Si。LED对高温比较敏感,共晶键合温度分别为361 ℃、363 ℃的Au-Ge、Au-Si不合适,而Au-Sn的共晶温度只有280 ℃,完全适合做大功率LED芯片的粘结材料。为克服传统工艺键合层产生的大量空洞,将J.S.Kim等人的Si芯片Au-Sn共晶键合实验工艺在LED上实现(见图2)。首先将W、Ti、Cr以及Au-Sn等相关金属层镀在Al基板上,在430 ℃下通过回流焊使基板上的金属成为均匀的Au80Sn20合金组织,然后再在320 ℃条件下通过共晶焊将芯片键合到Al基板的Au-Sn合金层上。对键合器件进行破坏实验得知,芯片先于键合层断裂,从而在大功率LED的键合上可以在满足散热(Au-Sn热导率57 W/mK)的基础上满足键合强度的要求。三种粘结材料在LED应用上的性能比较,见表2。 2 密封光学设计 光通量与光效取决于内量子效率、荧光粉转换效率以及灌封胶的选择等,因此,正确的选择灌封胶和准确的选择涂覆荧光粉可以提高出光效率。 2.1 灌封胶对led封装性能的影响 在LED使用过程中,复合产生的光子在向外发射时易损失,很多光线无法从芯片中射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(如硅胶),由于该胶层处于芯片和空气之间,从而能有效地减少光子在界面的损失,提高了取光效率。此外,LED灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护、应力释放,并作为一种光导结构。因此,要求灌封胶具有高透光率、高折射率、好的热稳定性和流动性、易于喷涂等。为提高LED封装的可靠性,还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐温环保等特性。 目前常用的灌封胶包括环氧树脂和有机硅。环氧树脂耐热性不高、透光率低,但可以通过化学改性环氧树脂,例如A.Okuno等人研制出一种特别的透光环氧树脂灌封胶。而有机硅由于具有透光率高(可见光范围内透光率大于99%)、折射率高(1.4～1.5)、热稳定性好(能耐受200 ℃高温)、应力低(杨氏模量低)、吸湿性低(小于0.2%)等特点,明显优于环氧树脂,在大功率LED封装中将得到广泛应用。道康宁、信越等大公司已开发出大功率LED专用有机硅灌封胶。 2.2 换效率的提高 LED封装荧光粉的作用在于光色复合,形成白光。荧光粉主要是YAG钇铝石榴石荧光粉,其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性(热和化学)等,其中,发光效率和转换效率是关键。荧光粉的选择必须满足两个条件:一是互补性,即荧光粉材料本身的发射光谱,必须能与芯片的发射光谱混合成白光;另一个是匹配性。由于荧光粉的转换效率与波长有关