深度分析白光LED的散热技术(二)

2013-05-12 21:51:52来源: 互联网
高功率LED的散热设计

  白光LED已经开始应用在一般照明与汽车等领域,投入LED的电力也从过去数十mW提高数W等级,因此发热问题更加表面化。

  所谓热问题是指随着投入电力的增加,LED芯片的温升造成光输出降低。有效对策除了改善芯片的特性之外,搭载LED芯片的封装材料与结构检讨也非常重要。树脂封装方式是目前市场的主流,由于树脂的热传导率很低,因此经常成为影响热问题的原因之一,目前常用对策是将金属导入树脂封装结构,或是采用高热传导率陶瓷材料。

  LED高功率化必需进行以下检讨,分别是:

  (1)芯片大型化

  (2)大电流化

  (3)芯片本身的发光效率改善

  (4)高效率取光封装结构

  其中最简单的方法是增加电流量,使光量呈比例性增加,不过此时LED芯片产生的热量会增加。图7是电流投入LED芯片时的放射照度量测结果,如图所示在高输出领域放射照度呈饱和、衰减状,主要原因是LED芯片发热所致,为实现LED芯片高输出化,必需进行有效的热对策。

  接着介绍应用陶瓷特性的封装技术。

  封装的功能

  封装主要目的是保护内部组件,使内部组件与外部作电气性连接,促进发热的内部组件散热。对LED芯片而言,封装的目的是使光线高效率放射到外部,因此要求封装材料具备高强度、高热传导性与高反射性。

  陶瓷封装的优点

  陶瓷材料几乎网罗上述所有要求特性,非常适合当作LED的封装。表2是主要陶瓷材料的物性,如表2所示陶瓷材料的耐光劣化性,与耐热性比传统环氧树脂更优秀。

  目前高散热封装结构是将LED芯片固定在金属板上周围包覆树脂,此时芯片材料与金属的热膨胀差异非常大,LED芯片封装时与温度变化的环境下,产生的热歪斜极易引发LED芯片缺陷,造成发光效率降低、发热等问题,随着芯片大型化,未来热歪斜势必更严重。陶瓷材料的热膨胀系数接近LED芯片,因此陶瓷被认为是解决热歪斜最有效的材料之一。

  封装结构

  照片1是高输出LED用陶瓷封装的实际外观;图8是陶瓷封装的构造范例,图中的反射器电镀银膜,可以提高光照射效率 。图8(c)是应用多层技术,使陶瓷与反射器成形一体结构。

  

  陶瓷封装结构

  为了使发热的LED芯片正常动作,必需考虑适当的散热系统,这意味着封装已经成为散热组件的一部份。接着介绍有关散热的处理方式。

散热设计必需考虑如何使LED芯片产生的热透过筐体释放到外部。图9是LED Lamp内部的热流与封装内侧理想热扩散模式。

  

  如图9右侧实线所示,高热扩散性封装的内侧(P~Q之间)温度分布非常平坦,热可以扩散至封装整体,而且还非常顺畅流入封装基板内,因此LED芯片正下方的温度大幅下降。

  图10是利用热模拟分析确认该状态获得的结果,该图表示定常状态温度分布,与单位面积时的单位时间流动的热量,亦即热流束的分布状况。由图可知使用高热传导材料的场合,封装内部的温差会变小,此时并未发现热流集中在局部,封装内部的热扩散性因而大幅提高。

  热传导率差异封装

  陶瓷是由铝或是氮化铝制成,若与目前常用的封装材料环氧树脂比较,铝质陶瓷的热传导率是环氧树脂的55倍,氮化铝陶瓷的热传导率是环氧树脂的400倍。此外金属板的热传导率大约是200W/mK,铝的热传导率大约是400W/mK左右,要求高热传导率的封装,大多使用金属作base。
LED芯片接合剂的功能

  半导体芯片接合剂使用的材料有环氧系、玻璃、焊锡、金共晶合金等等。LED芯片用接合剂除了高热传导性之外,基于接合时降低热应力等观点,要求低温接合、低杨氏系数等特性,符合要求的在环氧系有“添加银的环氧树脂”,共晶合金则有“Au -20% Sn”等等。

  接合剂附着在芯片周围的面积几乎与LED芯片相同 ,而且无法期待水平方向的热扩散,只能期望垂直方向的热传导性。图11是LED芯片至封装背面的温度差热仿真分析的结果,如图所示封装使用氮化铝陶瓷基板,与接合部温度差,以及热传导性比添加银的环氧树脂还低的Au-Sn接合剂。

  

  由于Au-Sn薄层化可以降低接合部的温度差,同时有效促进热的流动,因此业界普遍认为未来散热设计,势必要求接合剂必需具备高热传导性,与可以作薄层化接合等基本特性。

  今后散热设计与封装构造

  随着散热设计的进化,LED组件厂商的研究人员开始检讨LED Lamp至筐体的热传导,以及筐体至外部的热传导可行性;组件应用厂商与照明灯具厂商则应用实验与模拟分析进行对策研究。

  有关热传导材料,封装材料正逐渐从树脂切换成金属与陶瓷材料。此外LED芯片接合部是阻碍散热的要因之一,因此上述薄形接合技术被视为今后检讨课题之一。

  有关提高筐体至外部的热传导,目前大多利用冷却风扇与散热鳍片达成散热要求。不过基于噪音对策与窄空间化等考虑,照明灯具厂商大都不愿意使用热交换器,因此必需提高与外部接触面非常多的封装基板与筐体的散热性,具体方法例如利用远红外线在高热传导性铜层表面,形成可以促进热放射涂抹层的可挠曲散热膜片(film)。

  根据测试结果证实可挠曲散热膜片的散热效果,比大小接近膜片的散热鳍片更高,因此研究人员检讨直接将可挠曲散热膜片黏贴在封装基板与筐体,或是将可以促进热放射涂抹层,直接设置在装基板与筐体表面,试图藉此提高散热效果。

  有关封装结构,必需开发可以支持LED芯片磊晶(flip chip)接合的微细布线技术;有关封装材料,虽然氮化铝的高热传导化有相当进展,不过它与反射率有trade-off关系,一般认提高热传导性比氮化铝差的铝的反射特性,可以支持LED高输出化需要,未来可望成为封装材料之一。

关键字:深度分析  白光  LED  散热技术

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0512/article_18353.html
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