1、 本文由wang_jie_wei貢獻 doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 電 子 元 件 與 材 料 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS 研究與試制 提高小功率白光 LED 熱特性的新方法 宋國華 ，王瑋 ，姜斌 ，繆建文 ，紀憲明 (1.南通大學理學院，江蘇 南通 226007; 2南通大學電子信息學院，江蘇 南通 226019 3. 南通大學化學化工學院，江蘇 南通 226007) 摘要: 提出了一種基于環(huán)氧樹脂中添加氮化硼 （BN） 填料的改進型 LED 摘要: 在傳統(tǒng)直插式 LED 封裝方法的基礎上，

2、 封裝工藝。 測量了 BN 填料質(zhì)量比與導熱系數(shù)關系， 利用有限元分析軟件分析和實驗測試了采用改進封裝工藝 5 mm 白光 LED 的芯片結(jié)溫、 熱阻等參數(shù)， 并與傳統(tǒng)封裝方法的白光 LED 進行比較。 結(jié)果表明： 采用改進型封裝結(jié)構 5 mm 白光 LED 結(jié)溫比傳統(tǒng)封裝方式下降 4.5，熱阻下降了 17.8%，同時提高了初始光通量，降低了光衰。 關鍵詞: 關鍵詞: 白光 LED；氮化硼；熱阻；有限元熱分析 中圖分類號: 中圖分類號: TN383 文獻標識碼: 文獻標識碼:A 文章編號: 文章編號: 1 1 2 3 1 New method to improve the thermal ch

3、aracteristics of low-power white LED SONG Guohua1 ,WANG Wei1, JIANG Bin2,MIAO Jianwen3,JI Xiangming1 (1. School of Science, Nantong University, Jiangsu Nantong 226007; 2. School of Electronics and Information, Nantong University, Jiangsu Nantong 226007; 3. School of Chemistry and Chemical Engineerin

4、g, Nantong University, Jiangsu Nantong 226007, China) Abstract: On the base of traditional packaging technique of through-hole LED, an improved packaging using epoxy resin doped with BN fillers was presented. Thermal conductivity of epoxy resin doped with different mass ratio of BN fillers was studi

5、ed. Through thermal analysis based on ANSYS software for 5 mm white LED, the junction temperature and heat resistance of improved packaging were compared with traditional technique. While increasing the initial flux, reducing the lumen, the result shows that the improved packaging 5 mm white LEDs ju

6、nction temperature drops by 4.5, and heat resistance is 17.8% lower than tradition ones. Key words: white LED; BN；heat resistance；finite element thermal analysis 近年來，隨著 LED 技術的飛速發(fā)展及其應用領 域的不斷拓寬，高水平的 LED 封裝技術成為巨大的 市場訴求。 作為 LED 產(chǎn)業(yè)下游鏈的 LED 封裝， 在完 成驅(qū)動電流的輸入輸出、保護芯片避免機械、熱、 潮濕等外部沖擊的同時，芯片在正常工作條件下應 保證其溫度不超過特定閾

7、值，因為芯片結(jié)溫升高到 一定的值后，會發(fā)生明顯的壽命縮短、光效下降等 現(xiàn)象，甚至會導致 LED 猝滅 13 藝流程及市場價格因素，直插式 5 mm白光LED目 前仍占有相當大的市場份額，因此研究新型封裝結(jié) 構及方法，提高直插式 5 mm白光LED散熱能力具 有重要的現(xiàn)實意義。本文在不改變小功率直插式 5 mm白光LED封裝結(jié)構、工裝夾具和封裝設備的 前提下，在環(huán)氧樹脂封裝材料中引入了散熱性能良 好的氮化硼（BN）填料，提高封裝材料的散熱能力， 采用二次封裝流程，制作出熱特性優(yōu)良的直插式 。 直插式白光LED由于金屬支架散熱能力有限， 同 時封裝所用環(huán)氧樹脂可近似看作絕熱材料，這使得 LED芯片

8、極易產(chǎn)生熱量集聚現(xiàn)象， 導致芯片的結(jié)溫升 高，降低LED多項性能參數(shù)34。由于生產(chǎn)設備、工 5 mm白光LED。 1 1.1 實驗 主要材料與儀器 宋國華等:提高小功率白光 LED 熱特性的新方法 六方氮化硼粉:遼寧營口遼濱精細化工有限公 司產(chǎn)品。環(huán)氧樹脂封裝材料:上海固德科技科技有限 公司生產(chǎn)的6000A/B 環(huán)氧樹脂電子灌封膠。 Sartorius-BSA124S 型 高 精 度 分 析 天 平 ， DZF6030A型真空干燥箱， ZW900LED型光電色參數(shù) 綜合測試儀，TC-1型導熱系數(shù)測定儀。 1.2 試樣制備 在填料選擇方面，為適應 5 mm白光LED封裝 要求，填料應為白色、絕緣

9、、且具有優(yōu)良的機械加 工性能，相對傳統(tǒng)廉價的導熱材料氧化鋁，六方氮 化硼具有導熱性能更佳、硬度低易加工等優(yōu)點；而 導熱效果同樣優(yōu)異的材料氮化鋁， 存在著硬度過高、 顏色偏黃/灰、機械加工困難，且價格昂貴等缺點， 故不予采用。 將環(huán)氧樹脂6000A料和B料按質(zhì)量比11混合， 向環(huán)氧樹脂中加入BN粉末填料， 填料分別為試樣總 質(zhì)量的8%-60%。充分攪拌后真空除泡，溫度125 下固化45分鐘， 然后打磨制成直徑13mm、 厚度4mm 規(guī)格含BN填料的環(huán)氧樹脂圓片， 用以測量混合材料 的導熱系數(shù)。 傳統(tǒng)直插式 5 mm白光LED外部均使用環(huán)氧樹 脂封裝，而本實驗對傳統(tǒng)工藝加以改進，以反射碗 為界線，

10、反射碗以上部分采用傳統(tǒng)工藝用透明環(huán)氧 樹脂封裝，待環(huán)氧樹脂固化后在反射碗下半部分用 摻BN環(huán)氧樹脂材料進行封裝。圖1(a)是傳統(tǒng)封裝結(jié) 構示意圖，圖1(b)是改進后的封裝結(jié)構示意圖。 （b）改進封裝結(jié)構 圖1 傳統(tǒng)封裝（a）和改進后封裝（b）結(jié)構示意圖 Fig.1 Structure chart of traditional (a) and improved (b) packaging 2 結(jié)果與分析 （a）傳統(tǒng)封裝結(jié)構 2.1 導熱系數(shù)與 質(zhì)量百分比關系 導熱系數(shù)與BN質(zhì)量百分比關系 圖2是含BN填料環(huán)氧樹脂圓片的導熱系數(shù)與BN 填料質(zhì)量比關系圖。添加BN填料前環(huán)氧樹脂的本征 導熱系數(shù)僅為0

11、.23W/m·K5， BN的本征導熱系數(shù)高達 6 121 W/m·K 。加入不同質(zhì)量比BN填料后，材料導熱 系數(shù)會有不同程度的提高，從圖1中可以看出不同摻 混比例對應導熱系數(shù)值的變化趨勢。BN填料含量在 20%之前趨勢平緩，其原因可能是在填加BN填料粉 末相對較少的情況下，絕大多數(shù)BN填料顆粒之間未 有直接接觸，彼此之間包覆著環(huán)氧樹脂，因環(huán)氧樹 脂本身導熱系數(shù)很低，使得各導熱填料顆粒之間的 界面熱阻變大，從而使試樣整體的導熱性能維持在 一個較低的水平上，導致試樣的導熱系數(shù)增加相對 較慢。當BN填料含量在20%50%之間時，導熱系 數(shù)增加明顯加快，是因為隨著導熱填料BN 粉末

12、填充 質(zhì)量比的增加，環(huán)氧樹脂中的BN填料顆粒的接觸機 會逐漸增加，這樣在試樣中逐漸形成了由 BN填料顆 粒搭成的導熱“網(wǎng)絡”，熱流沿這一“網(wǎng)絡” 迅速傳遞， 從而使試樣的導熱系數(shù)有了顯著的提高6，當BN填 料含量為48.7%時， 導熱系數(shù)達到最大值3.35W/m·K， 是環(huán)氧樹脂本征導熱系數(shù)的16倍以上。但當BN填料 含量大于50%之后導熱系數(shù)急劇下降，其原因是：隨 著BN含量的增加， 試樣中BN與環(huán)氧樹脂由于抽真空 后仍存在氣泡甚至間隙，不能形成良好的導熱“網(wǎng) 絡”，以致導熱性能急劇下降。 宋國華等:提高小功率白光 LED 熱特性的新方法 3.40 3.35 Thermal con

13、ductivity cofficient / W/mK 3.30 3.25 3.20 3.15 3.10 3.05 3.00 2.95 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Mass ratio of BN fillers 圖2 導熱系數(shù)與BN填料質(zhì)量比的關系 Fig.2 Relationship between thermal conductivity coefficient and different mass ratio of BN fillers （b）改進封裝 圖3 傳統(tǒng)封裝（a）和改進封裝（b）模型網(wǎng)格劃分圖 Fig.3 Mesh generation of tr

14、aditional (a) and improved (b) packaging 環(huán)境溫度為 24 ，芯片熱源的功率為 0.06 W， 熱生成率設定為 85%。金屬引腳作為主要散熱源， 其外表面空氣對流系數(shù)設定為 8W/m 2·K，改進封裝 BN 材料導熱系數(shù)設定為 3.35W/m·K。 LED 內(nèi)部材料 之間通過熱傳導進行傳熱，服從傅里葉傳熱定律； 模型外部熱量通過與空氣自然對流進行散熱，服從 牛頓冷卻定律8。圖 4 中（a）和（b）分別為傳統(tǒng)封 裝和改進封裝的直插式 5 mm 白光 LED 溫度分布云 圖。由兩種封裝結(jié)構的熱模擬結(jié)果對比可知：在環(huán) 境溫度為 24的工作條

15、件下，添加了 BN 填料的改 進封裝結(jié)構理論上可降低 LED 芯片工作結(jié)溫約 4， 原因在于傳統(tǒng)封裝主要依靠陰極引腳散熱，而改進 封裝由于反射碗以下均采用含 BN 填料的環(huán)氧樹脂， 在引腳周圍增加了有效的空氣對流界面，同時加強 了陰極陽極引腳的協(xié)同散熱，降低了 LED 芯片的工 作溫度和白光 LED 器件的熱阻。 （a）傳統(tǒng)封裝 （a）傳統(tǒng)封裝 宋國華等:提高小功率白光 LED 熱特性的新方法 A 組 傳 統(tǒng) 封 裝 白 光 LED 的 初 始 光 通 量 為 5605mLm，經(jīng)過 20 天的連續(xù)電流應力加速老化，衰 減為 3217 mLm，是初始光通量的 57.4%；而 B 組改 進封裝白光

16、 LED 初始光通量為 5838mLm，20 天加 速老化后，衰減為 3615 mLm，是初始光通量的 61.9%。采用改進封裝的直插式 5 mm 白光 LED 由 于芯片散熱環(huán)境的改善，使得結(jié)溫小于傳統(tǒng)封裝方 式的結(jié)溫，不僅使初始光通量提升，而且光通量衰 減速率得以下降。 3 結(jié)論 （b）改進封裝 圖4 傳統(tǒng)封裝（a）和改進封裝（b）熱模擬分布圖 Fig.4 Temperature distribution for traditional (a) and improved (b) packaging 通過對小功率 LED 封裝工藝的改進，采用導熱 能力良好的 BN 材料作為導熱填充劑， 在環(huán)

17、氧樹脂材 料中摻入合適比例的 BN，采用二次封裝流程，制作 出芯片結(jié)溫、引腳溫度和熱阻均低于傳統(tǒng)封裝方式 的直插式 5 mm 白光 LED， 而且提高了初始光通量， 降低光衰，延長了發(fā)光二極管壽命。該改進型封裝 方法不需要改變傳統(tǒng)封裝的設備和工裝夾具，方法 簡單，易于推廣。、20mA額定驅(qū)動電 流下測量白光LED穩(wěn)定引腳溫度、結(jié)溫，計算熱阻， 結(jié)果見表1，其中結(jié)溫的測試原理和裝置見參考文獻 912 ，測量數(shù)據(jù)結(jié)果為3個樣品數(shù)據(jù)的平均值。 表 1 A、B 兩組 LED 溫度和熱阻參數(shù)對照表 Tab.1 LED temperature and heat resistance of A and B

18、samples 將實測LED引腳溫度及計算所得芯片結(jié)溫與圖 4中ANSY熱模擬仿真數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)二者數(shù)據(jù) 基本吻合，從而驗證采用改進封裝的直插式 項目 A組 B組 環(huán)境溫 度() 24 24 引腳溫 度() 33.5 30.0 芯片溫 度() 44.5 40.0 熱阻 (/W) 324.4 266.7 參考文獻 Burgess. LED update: Alternate packaging improves white LEDsJ. Photonics Spectra, 2005, 39(7): 118-119. 2 Jun-ho Yum, Soo-Yeon Seo, Seonghoon

19、 Lee, et al. Y3Al5O12:Ce0.05 phosphor coatings on gallium nitride for white light emitting diodesJ. Journal of the Electrochemical Society, 2003, 150(2): H47-H52. 3 錢可元, 胡飛, 吳慧穎, 等. 大功率白光 LED 封裝技術的研究 J. 半導體光電, 2005, 26(2): 118-120. 4 虞倩倩, 梁超, 何錦華. 白光 LED 封裝工藝研究 J. 中國照明電器， 2010,1,16-18. 5 張秀菊, 李波, 林志丹, 等. 電子封裝用復合導熱絕緣環(huán)氧膠粘劑的 研制 J. 絕緣材料, 2009,42(I ),1-4. 6 International Organization for Standardization. MIL-STD-750D Notice 3 Method 3101.3 Thermal Impedance(Response) Testing of Diodes S. 2006. 7 王立彬, 陳宇, 劉志強, 等. 大功率倒裝結(jié)構 LED 芯