摘要：LEDs技術(shù)發(fā)展到如今，單元光通量的提高已經(jīng)使得它可以進入通用照 明領(lǐng)域。然而，大功率固態(tài)照明單元光通量的提高進程中伴隨著散熱方面的技術(shù)瓶頸，散熱處理是否成功直接影響到固態(tài)照明的光學(xué)參數(shù)以及產(chǎn)品的壽命等指標。美國Lamina Ceramics公司開發(fā)的LTCC-M技術(shù)在大功率LEDs封裝上的應(yīng)用，階段性地解決了固態(tài)照明的熱處理方面的兩個問題大量熱量的疏導(dǎo)和半導(dǎo)體封裝材料的熱參數(shù)匹配，為固態(tài)照明的廣泛應(yīng)用提供了解決方案。  

高熱導(dǎo)性能使得LED芯片結(jié)的熱量可以較快地傳導(dǎo)和散發(fā)出去，然而材料的熱脹冷縮也是LED封裝的一個值得考慮的問題。為了更可靠起見，還必須考慮材料的熱膨脹系數(shù)（TCE）的匹配問題。LED外延材料與封裝材料之間熱膨脹系數(shù)（TCE）的差異可能導(dǎo)致LED芯片和封裝之間的開裂，進而導(dǎo)致發(fā)光失效或?qū)釡p弱。

眾所周知，大功率LED結(jié)溫相當高，在基材上形成的熱壓分布是不均勻的，如圖2.6所示    

因為不同材料的熱膨脹系數(shù)有較大的差異，在一定的溫度下，熱膨脹系數(shù)的差異就有可能導(dǎo)致LED封裝結(jié)構(gòu)的破裂。圖2.7顯示了這一問題的后果。

熱壓超過抗張強度的極限，連接芯片的材料內(nèi)部就會發(fā)生機械裂縫，導(dǎo)致焊層分離。
由于TCE不匹配的問題，超過350攝氏度，就會發(fā)生開裂。

表2.2列出了常見材料的TCE值。由表可見，銅和鋁等常用封裝材料與常見LED外延材料相比，其TCE有較大的差距，容易造成封裝結(jié)構(gòu)的損壞。美國Lamina陶瓷公司研究開發(fā)的Cu/Mo/Cu（銅/鉬/銅復(fù)合金屬）的TCE與半導(dǎo)體外延材料的非常接近，是比較理想的基板材料。

3、熱處理的技術(shù)進展

3.3 LTCC-M技術(shù)

3.1.1 封裝技術(shù)簡況

這里我們簡要回顧一下現(xiàn)有的一些封裝技術(shù)。

標準的FR-4玻璃纖維多層基材對高頻信號的衰減太大，而且散熱不好。聚四氟乙烯基材頻譜相應(yīng)范圍較廣，但是價格很高，而且熱導(dǎo)系數(shù)很低，與半導(dǎo)體材料的熱參數(shù)也很不匹配。

高溫?zé)Y(jié)陶瓷（HTCC）性能相比聚四氟乙烯強得多，但是價格奇高。同時由于HTCC的燒結(jié)溫度約在1,400oC到1,500oC之間，電路層必須采用高熔點金屬敷設(shè)，這就大大增加了電阻（與貴金屬相比），嚴重影響電路性能。

低溫?zé)Y(jié)陶瓷（LTCC）燒結(jié)溫度約在950oC，低于銀和金的熔點，更可以廣泛采用各種電阻和絕緣材料一次性燒結(jié)模成無源器件。此外，還可以采用多層結(jié)構(gòu)直接植入元器件，而且適合表面貼裝和芯片倒裝。更為可貴的是LTCC具有優(yōu)異的熱導(dǎo)性能。不過，LTCC燒結(jié)時的收縮很難預(yù)測，常常需要不斷試驗才能達到最終的設(shè)計要求。

3.1.2 LTCC-M技術(shù)及其在大功率LEDs封裝中的使用

基于低溫?zé)Y(jié)陶瓷技術(shù)發(fā)展出來的金屬基低溫?zé)Y(jié)陶瓷（LTCC-M）將陶瓷直接綁定于金屬上，據(jù)此開發(fā)的電路具有一系列優(yōu)點。

首先，燒結(jié)時所開的腔穴直達金屬基層，可以在上面直接焊裝元器件，這樣就無須元器件自身背負散熱器，因為LTCC-M的金屬層的熱導(dǎo)系數(shù)高達170 W/m C，可以很快把熱傳導(dǎo)出去。 

其次，復(fù)合金屬基板在燒結(jié)時X-Y平面的收縮率僅為0.1%（傳統(tǒng)的LTCC約為12.7%~14.8%），如此微乎其微的收縮率奠定了制作大面積（可達40cm×40cm）基板的可能性。 

另外，LTCC-M技術(shù)在封裝尺寸方面提供了多種可能。比如，可以堆疊24層，層厚0.05~0.25mm（標準為0.1mm），每層可以布線或植入無源元件。如此擁有復(fù)雜電路或有若干分立電路的器件可以封裝在一個較小的體積內(nèi)。

此外，大面積基板（40cm×40cm）可以集成高密度的元件，擁有更高的翹曲強度。同時，LTCC-M技術(shù)可采用大晶圓工藝，可以一次性燒結(jié)多個電路再予切分。

美國Lamina公司將所開發(fā)的金屬基多層低溫?zé)Y(jié)陶瓷技術(shù)應(yīng)用于LEDs封裝，在熱處理方面與傳統(tǒng)封裝方法相比有著大幅度的改善。傳統(tǒng)塑料封裝工作溫度一般不超過70oC，而采用LTCC-M技術(shù)，由于其熱到系數(shù)高達170-W/mK，工作溫度可高達250oC。另外，由于LED芯片直接焊裝在Cu/Mo/Cu復(fù)合金屬基板上形成高密度陣列，目前可以取得90 lm/cm2的光密度。圖3.1為Lamina公司封裝的大功率LED單元結(jié)構(gòu)示意圖，圖3.2為LEDs陣列結(jié)構(gòu)。

LTCC-M技術(shù)可應(yīng)用于封裝大多數(shù)廠家的各種LED芯片。 

3.1.3 LTCC-M

Lamina開發(fā)了LTCC-M新型封裝技術(shù)，通過提高熱導(dǎo)系數(shù)、降低熱膨脹系數(shù)不匹配度來增強LED的熱處理性能。LED芯片直接焊裝在鍍鎳的Cu/Mo/Cu復(fù)合金屬基板上，這種基板具有超高的熱導(dǎo)能力和耐熱性能（參見表2.1）。在X-Y平面上的熱導(dǎo)系數(shù)達到210 W/m C，Z軸方向達到170 W/m C。 圖3.3為LTCC-M技術(shù)封裝的LED的導(dǎo)熱通道和溫度分布示意圖。  

與傳統(tǒng)的固態(tài)照明光源的散熱通道相比，LTCC-M技術(shù)的散熱環(huán)節(jié)減少了。參照圖3.4可知，由于芯片直接焊裝在復(fù)合金屬基板上，散熱效率更高。芯片到封裝基板之間的熱阻系數(shù)僅僅相當于傳統(tǒng)方式的1/6。

3.1.4  LTCC-M

LTCC-M技術(shù)不僅在散熱效率方面有了可觀的提高，更主要的是，在熱參數(shù)匹配方面做出了突出的貢獻。首先我們對比一下不同材料的熱壓分布情況。 

由圖3.5可知，Cu/Mo/Cu復(fù)合金屬基材的熱壓分布非常均勻，中心區(qū)域最高不超過9000psi，而角落的熱壓比中心區(qū)域更低。作為參照的鋁基材，中心區(qū)域達8000psi，而角落熱壓分布急劇增加，高達30000psi。由于TCE不匹配導(dǎo)致熱壓分布不均勻會引起芯片結(jié)的錯位。芯片越大，錯位越多。根據(jù)實測，錯位情況如表3.1，可見LTCC-M技術(shù)對LED的可靠性和壽命貢獻很多。   

 3.2系統(tǒng)熱處理設(shè)計簡述系統(tǒng)熱處理設(shè)
根據(jù)LTCC-M的散熱環(huán)節(jié)可知，發(fā)光引擎內(nèi)部的熱處理設(shè)計固然非常重要，模組層級上的以及燈具層級上的散熱裝置對于大功率固態(tài)照明來說也極為重要。依據(jù)散熱設(shè)計的如下基本公式：

    式中：
    125OC是結(jié)溫的典型值，
    安全溫度閥值一般來說取10，
    TR發(fā)光引擎是LED封裝結(jié)構(gòu)自身的熱阻， 
    TR界面是LED封裝結(jié)構(gòu)與散熱器之間的界面熱阻。

從公式可知，可控制的對散熱器界面熱阻影響最大的是發(fā)光引擎熱阻和界面熱阻，其中發(fā)光引擎的熱阻基于封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計，屬于內(nèi)部熱處理環(huán)節(jié)，而界面熱阻屬于外部熱處理環(huán)節(jié)，相對容易解決。 

3.2.1   就界面熱阻而言，空氣間隙是最大的敵人。從圖3.6看，盡管發(fā)光引擎與散熱器之間肉眼觀察的間隙極小，但是由于材料表面固有的平整度問題，實際上還是存在著微細的氣穴。由于空氣的界面熱阻很大，不利于熱擴散，故大大增加了整體界面熱阻。   

    粗略分析，降低界面熱阻的方法可有：
    增加界面材料的平整度，減小氣穴容積，降低空氣的存量。
    施加更高的壓力。從圖3.7可見，幾乎對所有材料而言，接觸壓力越大，則其熱阻越小。     

填充導(dǎo)熱材料，驅(qū)除空氣并以更高的導(dǎo)熱性能傳遞和散發(fā)熱量。常見的填充材料包括：焊料、導(dǎo)熱油脂、絕緣膠墊、導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂、相變材料等等。 

3.2.2   作為最后一個環(huán)節(jié)，散熱器本身也有關(guān)整個系統(tǒng)的熱處理效果。在自然對流情況下，散發(fā)的熱能和與環(huán)境溫度的溫差大致成正比，如圖3.8。而在強制對流情況下，對流速度越快，則散熱器本身的熱阻越小，如圖3.9。     

此外，散熱效果與散熱器的幾何形狀和散熱方向也有關(guān)系。 
不同幾何形狀和方向的熱傳遞系數(shù) h 和散熱效果如表3.2所示。散熱器散熱片的朝向?qū)ι嵝Ч牟涣加绊懺诜枪潭艟呱想y以避免，需要在燈具設(shè)計時確定其使用場所和安裝方位角度等等因素。

    表3.2 散熱器的形狀和朝向與散熱性能的關(guān)系     

導(dǎo)性能提高了大量熱量的散發(fā)能力，在一定程度上外在地解決了大功率固態(tài)照明的瓶頸過高的結(jié)溫所引發(fā)的一系列問題。當然，提高固態(tài)照明的量子效率，內(nèi)在地減少熱源才是根本之道。 

LTCC-M技術(shù)的熱參數(shù)匹配特點提高了固態(tài)照明光源的可靠性，延長了壽命；

基于LTCC-M技術(shù)的固態(tài)照明光源封裝技術(shù)大大提高了單位封裝面積內(nèi)的光通量指標，使得實用級的大功率固態(tài)照明光源成為可能。圖4.1就不同封裝技術(shù)作了對比。   

關(guān)鍵詞：固態(tài)照明，LED，熱阻，熱膨脹系數(shù)匹配

1、固態(tài)照明簡述

通常，我們將采用了LEDs、OLEDs或發(fā)光聚合物技術(shù)的照明應(yīng)用稱作固態(tài)照明。固態(tài)照明是近百年來照明技術(shù)的真正革命。由于半導(dǎo)體材料將電能直接轉(zhuǎn)化為光，所以固態(tài)照明具有與傳統(tǒng)照明光源最大的不同在于它的光線不會產(chǎn)生熱量。LEDs在它30多年的發(fā)展歷史中，一直主要作為指示應(yīng)用，而直到最近才有所突破，在一些照明領(lǐng)域開始局部的應(yīng)用。

固態(tài)照明的研究領(lǐng)域包括七個方面：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)、壽命、量子效率、可靠性和可控性、降低造價。本文所介紹的主要著眼于封裝結(jié)構(gòu)中的熱處理技術(shù)。

本文所稱大功率固態(tài)照明光源，僅限于單元光通量在50流明以上的照明用白光LED，即包括高亮度白光LED（單元光通量大于50lm小于250流明）和超高亮白光LED（單元光通量大于250流明）。

2、固態(tài)照明的熱問題及其影響

為了適應(yīng)通用照明的需要，固態(tài)照明光源迫切需要解決單元光通量的問題。圖2.1表明，近年來，LED單元光通量的增幅還是很大的。然而每單元光通量的增加伴隨著每單元發(fā)熱量的增加，而熱量的增加又帶來相應(yīng)的問題。主要表現(xiàn)為幾個方面：發(fā)光效率隨著結(jié)溫的升高而降低、光色隨著結(jié)溫的升高而漂移、LED封裝結(jié)構(gòu)隨著熱量的增加而產(chǎn)生機械強度問題、為了散熱使得單元的體積增加。

固態(tài)照明光源熱的問題關(guān)系重大，據(jù)有關(guān)資料分析，大約70%的故障來自于LEDs的溫度過高，并且在負載為額定功率的一半的情況下，溫度每升高20oC，故障率就上升一倍。      

2.熱的產(chǎn)生

與傳統(tǒng)光源一樣，固態(tài)照明光源工作期間也會產(chǎn)生熱量，其多少取決于量子效率。我們可以回顧一下固態(tài)照明光源的熱量產(chǎn)生機制。如圖2.2、圖2.3所示，在外加能量作用下，電子和空穴的輻射復(fù)合而發(fā)生的電致作用將能量的30-35%轉(zhuǎn)化為光能（量子效率），而非輻射復(fù)合發(fā)生的點陣振動將其余65-70%的能量轉(zhuǎn)化為熱能。

[打印本頁]  [關(guān)閉窗口]