1、提高大功率 LED 散熱和出光封裝材料的研究 引言 作為環保節能的新一代綠色光源和照明技術 ,大功率 LED 近年來得到快速發展。大功率 LED 尚存在散熱不暢和出光率不高的問題 , 因為散熱直接影響到 LED 的可靠性 , 進而影響到其壽命及應用 , 而出光率低直接制約了 LED 的發展 , 所以對 LED 散熱和封裝光學設計的研究就顯得格外重要。封裝互連材料在提高大功率 LED 散熱和出光方面作用突出 , 貫穿到 LED 晶片、器件、系統多個層次。主要封裝互連材料有粘結材料、螢光粉、灌封膠、散熱基板等。粘結材料和基 板是 LED 散熱的關鍵環節 , 需要根據不同的應用選擇合適的粘結材料和基
2、板。出光率的提高關鍵在於灌封膠和螢光粉的選擇與應用。 1 粘結材料 目前 LED 光電轉換效率較低 , 70 %甚至更高的電能要轉換成熱量。分析 LED 器件結構和材料組成 , 發現由於 LED 封裝結構和封裝材料的影響 ,晶片側表面和上表面的散熱能力極差。因此 , LED 產生的熱量絕大部分是通過熱傳導的方式傳到晶片底部的熱沉 , 再以熱對流的方式耗散掉。正裝晶片與倒裝晶片的散熱結構都有一個粘結層。 1.1 導熱膠 環氧樹脂和有 機矽作為聚合物本身散熱性能較差 , 導熱膠是在基體內部加入一些高導熱係數的填料 , 如 SiC、 AlN、 Al2O3、 SiO2 等 , 從而提高其導熱能力。導熱
3、膠的優點是價格低廉 , 具有絕緣性能 ,工藝簡單 , 控制也沒有銀漿那麼嚴格 , 但導熱性普遍較差。 1.2 導電銀漿 導電銀漿是將銀粉加入環氧樹脂中形成的一種複合材料 , 粘貼的硬化溫度一般低於 200 , 具有良好的導熱特性、粘結性能可靠等優點 , 但銀漿對光的吸收比較大 , 導致光效下降。同樣條件下 , 銀漿與導熱膠相比 , 初始光通量會相差 較多。小功率 LED 晶片發熱量少 , 所以通過導電銀漿作為粘結層完全可以滿足散熱性好、壽命長及可靠性高的要求。 1.3 合金焊料 大功率 LED 晶片由於發熱較多 , 所以對粘結劑的要求更為嚴格。一般粘結劑如導熱膠、導電銀漿都無法滿足要求 , 只
4、能考慮硬釺料 , 最為常用的釺料有三種 : Au2Sn、 Au2G e 和 Au2Si。 LED 對高溫比較敏感 , 共晶鍵合溫度分別為 361 、 363 的 Au2G e、 Au2Si 不合適5 , 而 Au2Sn 的共晶溫度只有 280 , 完全適合做大功率 LED 晶 片的粘結材料。為克服傳統工藝鍵合層產生的大量空洞。 2 封裝的光學設計 光通量與光效取決於內量子效率、螢光粉轉換效率以及灌封膠的選擇等 , 因此 , 正確的選擇灌封膠和準確的選擇塗覆螢光粉可以提高出光效率。 2.1 灌封膠 在 LED 使用過程中 , 複合產生的光子在向外發射時易損失 , 很多光線無法從晶片中射到外部。通
5、過在晶片表面塗覆一層折射率相對較高的透明膠層 (如矽膠 ) , 由於該膠層處於晶片和空氣之間 ,從而能有效地減少光子在介面的損失 , 提高了取光效率。此外 , LED 灌封膠的作用還包括對晶片進行機械保護、應力釋放 , 並作為一種光導結構。因此 , 要求灌封膠具有高透光率、高折射率、好的熱穩定性和流動性、易於噴塗等。為提高 LED 封裝的可靠性 , 還要求灌封膠具有低吸濕性、低應力、耐溫環保等特性。 目前常用的灌封膠包括環氧樹脂和有機矽。環氧樹脂耐熱性不高、透光率低 , 但可以通過化學改性環氧樹脂 , 例如 A1Okuno 等人研製出一種特別的透光環氧樹脂灌封膠。而有機矽由於具有透光率高 (可
6、見光範圍內透光率大於 99 %) 、折射率高 (114 115) 、熱穩定性好 (能耐受 200 高溫 ) 、應力低 (楊氏模量低 ) 、吸濕性低 (小於 012 %) 等特點 , 明顯優於環氧樹脂 , 在大功率 LED 封裝中將得到廣泛應用。道康寧、信越等大公司已開發出大功率 LED 專用有機矽灌封膠。 2.2 螢光粉 LED 封裝螢光粉的作用在於光色複合 , 形成白光。螢光粉主要是 Y AG 釔鋁石榴石螢光粉 , 其特性主要包括細微性、形狀、發光效率、轉換效率、穩定性 (熱和化學 ) 等 , 其中 , 發光效率和轉換效率是關鍵。螢光粉的選擇必須滿足兩個條件：一是互補性 , 即螢光粉材料本身
7、的發射光 譜 , 必須能與晶片的發射光譜混合成白光 ; 另一個是匹配性。由於螢光粉的轉換效率與波長有關 , 因此 , 螢光粉的激發波長必須與所用晶片的發射波長相匹配 ,這樣才能獲得較高的光轉換效率 (要求轉換效率大於 95 %, 1 105h 後光轉換效率衰減小於 15 %)。研究表明 , 螢光粉的性能受溫度影響較大 , 隨著溫度上升 , 螢光粉轉化效率會降低 , 從而引起白光 LED 色溫、色度的變化 , 較高的溫度還會加速螢光粉的老化。目前 , 螢光粉的均勻塗覆是封裝工藝中的一個難點。 3 基板 在系統散熱方面 , 尤其是大功率 LED , 選擇合適的基板 , 對其散熱性和可靠性都具有重要
8、影響 ,而目前基板主要有陶瓷基板、金屬基板和複合基板。 3.1 陶瓷基板 陶瓷基板主要是 LTCC 基板和 AlN 基板。 LTCC 基板具有諸多優點 : 易於成型、工藝簡單、成本低而且容易製成多種形狀。現在常用的 Al2O3 基板 , 由於熱導率低 , 已不能滿足這種要求。 BeO 基板雖然熱導率高 , 但其線膨脹係數與 Si 相差很大 , 且製造時有毒 , 限制了自身的應用。而 AlN 基板由於具有理論值為 320 W/ mK (納米級 AlN) 的高熱導率、線膨脹係數 (416 10 - 6/ ) 與 Si 接近、電性能優良、機械性能高且無毒 , 研究表明 , AlN 除了具有較高的熱特
9、性和較高的導電特性外 , 硬度與 Al 基板相近。另外 , 選擇 AlN 的另外一個重要原因還在於 AlN 基板除了具有高導熱特性外還具有高絕緣特性 , 所以 AlN 陶瓷基板的高導熱率、高硬度以及絕緣性使 AlN 陶瓷基板在大功率 LED 封裝應用上具有廣闊的前景。 3.2 金屬基板 Al 或 Al 合金密度小、價格低、加工性好 , 是 LED 封裝基板的優良材料 , 由於金屬材料的導電性 , 為使其表面絕緣 , 往往需通過陽極氧化處理 ,使其表面形成薄的絕緣層。 3.3 複合基板 單一材料很多場合下無法滿足封裝的需求 , 此時需要把幾種材料結合起來以獲得高熱導率低膨脹的金屬基複合材料 ,
10、從而使得基板的性能得到加強 , 滿足封裝需求。金屬基複合材料 (如 AlSiC)將金屬材料 (Al) 的高導熱性和增強體材料 (SiC)的 低 熱 脹 系 數 結 合 起 來 , 具 有 熱 導 率 高 ( 200 W/ mK) 、熱膨脹係數 (CTE) 可調、比重小、強 度和硬度高、製造成本低等優點。金屬基複合材料主要有 Cu 基複合材料、 Al 基複合材料。 探究了 AlSiC 在倒裝晶片、光電器件、功率器件及大功率 LED 散熱基板上的應用 , 在 AlSiC中加入熱解石墨還可以滿足對散熱要求更高的工況。未來的複合基板主要有五種 : 單片電路碳質材料、金屬基複合材料、聚合物基複合材料、碳
11、碳複合材料和高級金屬合金。 Al 基複合基板在微電子、微波電子、光電子等功率型半導體封裝中得到廣泛應用 , 並已開始應用于大功率 LED 封裝中。三種封裝用基板性能。 4 結語 由於 LED 封裝結構的特殊性 , 散熱通道經由發光層、襯底、粘結層、基板等多個環節 , 而在這多個環節中 , 粘結材料層是熱導率最低的一個環節 , 因此提高粘結層的熱導率將會使得LED 的散熱提高一個層次。導熱膠、導電銀漿由於成本低、工藝簡單 , 適合於小功率 LED 封裝 , 合金焊料具有高的熱導率和粘結強度 , 適合於大功率 LED 封裝。此外灌封膠和螢光粉 , 尤其是螢光粉的均勻塗覆 , 對提高大功率 LED
12、出光率以及控制出光色溫的一致性有重要的作用。基板作為熱與空氣對流的載體 , 其熱導率的大小對 LED 的 散熱好壞起著決定作用 , 陶瓷基板 (LTCC 與 AlN 基板 ) 與複合基板是未來大功率 LED 封裝趨勢。因此通過選擇優良的粘結材料與性能優越的基板將會解決大功率 LED 的散熱瓶頸 , 從而大大提高 LED 的散熱能力以及可靠性 ; 此外優良的灌封膠和螢光粉也是封裝高性能 LED 的必須條件 , 散熱瓶頸的解決將會使 LED最終進入通用照明。 熱超聲鍵合由於具有低的鍵合溫度 , 是未來的一個主要鍵合方式 , K1Zhao 等人研究了熱超聲鍵合的失效模式及鍵合參數 , 這將有助於熱超聲鍵合在 LED 封裝中的進一 步發展 ; 此外 , 多晶片大功率模組集成、散熱、出光、二次光學設計以及可靠的驅動電路設計等都是未來的研究重點。
