1、姓名：朱 江專業：物理電子學課程：電子器件封裝大功率大功率LED散熱封裝技散熱封裝技術術Heat-Release Package of High Power LEDsn1 1、引言引言n2 2、熱效應對大功率熱效應對大功率LEDLED的影響的影響n3 3、封裝結構封裝結構 硅基倒裝芯片（硅基倒裝芯片（FCLEDFCLED）結構）結構 金屬線路板結構金屬線路板結構 微泵浦結構微泵浦結構 半導體制冷結構半導體制冷結構n4 4、發展趨勢發展趨勢引言引言 LED是一種注入電致發光器件，在外加電場作用下，電子與空穴的輻射復合而發生的電致作用將一部分能量轉化為光能，即量子效應，而無輻射復合產生的晶格振蕩將

2、其余的能量轉化為熱能。對大于1W級的大功率LED而言。目前的電光轉換效率約為15，剩余的85轉化為熱能，而芯片尺寸僅為1mmx1mm-2.5mmx2.5mmm，意即芯片的功率密度很大。與傳統的照明器件不同，自光LED的發光光譜中不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放。因此，如何提高散熱能力是大功率LED實現產業化有待解決的關鍵技術難題之一。熱效應對大功率熱效應對大功率LEDLED的影響的影響 對于單個LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內而不能有效散出，則會導致芯片的溫度升高，引起熱應力的非均勻分布、芯片發光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當溫度超過一定值時，器件的失效率將呈指數規

3、律攀升，元件溫度每上升2，可靠性將下降10%。為了保證器件的壽命，一般要求pn結的結溫在110以下。 隨著pn結的溫升，白光LED器件的發光波長將發生紅移。據統計資料表明，在100 的溫度下，波長可以紅移4-9nm，從而導致YAG熒光粉吸收率下降，總的發光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高1，LED的發光強度會相應減少1左右，當器件從環境溫度上升到120時，亮度下降多達35。當多個LED密集排列組成白光照明系統時，熱量的耗散問題更嚴重。因此，解決散熱問題已成為功率型LED應用的先決條件。硅基倒裝芯片（硅基倒裝芯片（FCLED）結構）結構 傳統的LED采用正裝結構，上面通常涂敷一層

4、環氧樹脂，采用藍寶石作為襯底。錢可元, 鄭代順, 羅毅GaN基功率型LED芯片散熱性能測試與分析J. 半導體光電, 2006, 27(3)：236-239圖1、正面出光大功率LED芯片結構示意圖 由于環氧樹脂的導熱能力很差，藍寶石又是熱的不良導體，熱量只能靠芯片下面的引腳散出，因此前后兩方面都造成散熱困難，影響了器件的性能和可靠性。 2001年Lumileds公司研制出了AlGaInN功率型封裝芯片結構。圖2、倒裝焊大功率LED芯片結構示意圖 這樣，大功率LED產生的熱量不必經由芯片的藍寶石襯底，而是直接傳到熱導率更高的硅或陶瓷襯底，再傳到金屬底座。由于其有源發熱區更接近于散熱體，因此可降低內

5、部熱沉熱阻。這種結構的熱阻理論計算最低可達到1.34KW實際已作到6-8KW，出光率也提高了60左右。 但是，熱阻與熱沉的厚度是成正比的，因此受硅片機械強度與導熱性能所限。很難通過減薄硅片來進一步降低內部熱沉的熱阻，這就制約了其傳熱性能的進一步提高。金屬線路板結構金屬線路板結構 金屬線路板結構利用鋁等金屬具有極佳的熱傳導性質，將芯片封裝到覆有幾毫米厚的銅電極的PCB板上，或者將芯片封裝在金屬夾芯的PCB板上，然后再封裝到散熱片上，以解決LED因功率增大所帶來的散熱問題。采用該結構能獲得良好的散熱特性，并大大提高了LED的輸入功率。美國UOE公司的Norlux系列LED，將已封裝的產品組裝在帶有

6、鋁夾層的金屬芯PCB板上，其中PCB板用作對LED器件進行電極連接布線，鋁芯夾層作為熱沉散熱。Hsa Y P,Chang S J,Su Y K,etal. InGaN/GaN light-emitting diodes with a reflector at the backside of sapphire substrates J. Journal of Electronic Materials, 2003, 32(5):403-406 圖3示出金屬線路板結構。其缺陷在于，夾層中的PCB板是熱的不良導體它會阻礙熱量的傳導。圖3、金屬線路板結構 據研究，將OSRAM 公司的Golden Dra

7、g-on系列白光LED芯片LW W5SG倒裝在一塊3mm x3mm，且水平放置的金屬線路板上，在LED器件與金屬線路板之間涂敷1898In-Sil-8熱接口材料，其系統熱阻約為66.12K/W。微泵浦結構微泵浦結構 2006年Sheng Liu等人通過在散熱器上安裝一個微泵浦系統，解決了LED的散熱問題，并發現其散熱性能優于散熱管和散熱片。在封閉系統中，水在微泵浦的作用下進入了LED的底板小槽吸熱，然后又回到小的水容器中，再通過風扇吸熱。圖4示出這種微泵浦結構。它能將外部熱阻降為0.192KW，并能進行封裝。這種微泵結構的制冷性較好。Sheng Liu, Tim Lin, Xiaobing L

8、uo, etal,A Microjet Array Cooling System For Thermal Management of Active Radars and High-Brightness LEDs A. Electronic Components and Technology ConferenceC. 2006：1634-1638 但如前兩種結構一樣，若內部接口的熱阻很大，則其熱傳導就會大打折扣，而且結構也嫌復雜。圖4、微泵浦結構徐德勝. 半導體制冷與應用技術 M上海交通大學出版社 , 1992.半導體制冷器件的工作原理半導體制冷器件的工作原理半導體制冷結構半導體制冷結構 半導體

9、制冷器件的工作原理是基于帕爾帖原理，即利用當兩種不同的導體A和B組成的電路且通有直流電時，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量，且帕爾帖效應所引起的這種現象是可逆的，改變電流方向時，放熱和吸熱的接頭也隨之改變。 吸收和放出的熱量與電流強度I成正比，且與兩種導體的性質及熱端的溫度有關，即： Qab=I*ab I-流經導體的電流，ab稱做導體A和B之間的相對帕爾帖系數，單位為V，ab為正值時，表示吸熱，反之為放熱，由于吸放熱是可逆的，所以ab = -ab，帕爾帖系數的大小取決于構成閉合回路的材料的性質和接點溫度。 金屬材料的帕爾帖效應比較微弱，而半導體材料則要強得

10、多，因而得到實際應用的溫差電制冷器件都是由半導體材料制成的。 當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成電偶對，在這個電路中接通直流電流后，就能產生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端；由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導體材料N、P的元件對數來決定。圖5、半導體制冷結構半導體制冷結構的優點：半導體制冷結構的優點： 半導體制冷器的尺寸小，可以制成體積不到1cm小的制冷器；重量輕，微型制冷器往往能夠小到只有幾克或幾十克。無機械傳動部分，工作中無噪音，無液、氣工作介質，因而不污染環境，制冷參數不受空間方向以及重力影響

11、，在大的機械過載條件下，能夠正常地工作；通過調節工作電流的大小，可方便調節制冷速率；通過切換電流方向，可使制冷器從制冷狀態轉變為制熱工作狀態；作用速度快，使用壽命長，且易于控制。 發展趨勢發展趨勢o 在氮化鎵材料的生長過程中，改進材料結構，優化生長參數，獲得高質量的外延片；提高器件內量子效率，從根本上減少熱量的產生，加快芯片結到外延層的熱傳導。o 選擇以鋁基為主的MCPCB 、陶瓷、復合金屬基板等導熱性能好的材料作襯底，以加快熱量從外延層向散熱基板散發。通過優化MCPCB板的熱設計，或將陶瓷直接綁定在金屬基板上形成金屬基低溫燒結陶瓷基板，以獲得熱導性能好，熱膨脹系數小的襯底。p選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板、陶瓷、DBC、復合金屬基板等導熱性能好的材料作襯底，以加快熱量從外延層向散熱基板散發。通過優化MCPCB板的熱設計，或將陶瓷直接綁定在金屬基板上形成金屬基低溫燒結陶瓷基板，以獲得熱導性能好，熱膨脹系數