大功率LED封裝
一、影響High Power LED熱阻的主要因素
結合大功率LED熱流模型和結構,我們不難看出,影響大功率 LED熱阻的主要因素有:
1. LED晶片的導熱能力;
2. 固晶粘合膠的導熱能力以及粘合的品質;
3. 器件(包括晶片)熱通道的長度;
4. 灌封材料的熱導能力;
5. 熱沉的熱導能力。
二、LED晶片基本結構
1. 正裝結構的LED晶片基本結構
傳統的藍寶石襯底的GaN基晶片熱通道相對比較長,而且藍寶石的熱導系數較低,使其導熱能力較低。
2. 垂直結構的LED晶片基本結構
垂直結構的GaN基晶片熱通道相對于傳統的正裝晶片較短,而且,采用高導熱金屬材料作為基板,使其具有非常高的熱導能力。此外,由于上下電極的結構,從而減少了出光面的金屬電極面積,從而更多的光得到有效利用。
三、表征LED系統熱性能主要指標—熱阻
在穩態時,兩節點間單位熱功率輸運所產生的溫度差,則定義為兩個節點間的熱阻。一般用RthJ-A / R?表示。
式中:
RthJ-A:LED器件PN結到環境之間的熱阻;
TJ:LED器件PN結溫度;
Ta:器件周圍環境溫度;
IF:LED標稱正向驅動電流;
VF:在標稱正向驅動電流下的正向壓降。
在LED器件中分別存在著兩個相對獨立的熱系統:
1. 向上的熱系統熱阻: RθU= RθU1+ RθU2+ RθU3
2. 向下的熱系統熱阻: RθD= RθD1+ RθD2+ RθD3
四、封裝過程中固晶對LED熱特性的影響
1. 固晶方式
依據傅里葉方程,可以計算出不同固晶粘結材料,在不同的固晶厚度的情況下,傳導熱阻:
式中:
Rth:導熱材料的傳導熱阻;
k:導熱材料的導熱系數;
L:導熱材料的在導熱方向的距離;
A:導熱材料涂敷的橫切面積。
2. 粘結材料
以使用40mil的垂直結構晶片為例,分別采用行業內比較優秀的粘結材料,導熱系數K=25W/m?K的銀膠,和導熱系數K=85 W/m?K的銀錫合金焊料,固晶厚度均200μm,固晶粘結層的熱阻分別為:
而實際上,采用合金焊料固晶粘結,在固化后的厚度(20μm左右)比銀漿固晶粘結固化后的厚度(200μm左右)小得多。
3. 固晶作業
在既定的固晶粘結材料下,造成LED個體之間的熱應用性能的差異,在封裝固晶過程的因素包括:固晶粘結材料的厚度和均勻度、晶片底部粘結材料涂敷的飽和度、晶片的平貼程度等(圖6)。
五、封裝過程中熱沉對LED熱特性的影
目前主流的高功率LED的熱沉均采用鋁和銅,但熱沉的加工工藝以及使用方法的控制,才能使LED器件獲得更為卓越的熱應用,這包括熱沉表面的鍍銀處理和潔凈度、熱沉上下表面的平整度、熱沉與晶片結合的強度等。
因此,基于以上最優秀的工藝組合,量子(Quantum)高功率LED,向下的熱系統如圖7所示。
六、封裝過程中管體對LED熱特性的影響
當前高功率LED均采用了有機硅膠進行管體灌封,其主要原因是由于有機硅膠有比環氧樹脂具有更優秀的熱穩定表現。下圖8是采用同種晶片、固晶材料和方式、同種封裝結構,僅分別采用了環氧樹脂和硅膠灌封的100PCS高功率LED的光衰平均測試值的曲線。
七、被忽略掉的LED器件向上的熱系統
當前對高功率LED的熱阻的關注焦點幾乎都集中在器件向下的熱通道中,而忽略了在LED器件中還存在著一個向上的獨立的熱系統,從而導致器件在使用過程中失效。實際上在LED器件中,這個向上獨立的熱系統是真實存在的。
1. 高功率LED向上的熱系統的熱流模型
2. 高功率LED向上的熱系統對器件的影響
為了進一步驗證這個向上的熱系統真實存在,我們進行了以下兩組實驗:
實驗一:采用世界頂級的有機硅膠生產商的兩款不同硅膠進行灌封,然后各抽取100PCS進行同條件老化;
實驗二:分別對采用硅膠模造和硅膠灌注兩種制程的高功率LED進行同條件老化。
兩組實驗結果表明:
1.不同的硅膠進行灌封,導致其應對光衰的能力也不一樣;
2.采用硅膠模造的高功率LED在導熱能力上,稍微優于帶有PC透鏡的高功率LED。
從進行的實驗反映出來,高功率LED向上的熱通道也正影響著期間的封裝和應用。但由于目前無法采集到相關材料的詳細準確的熱應用數據,因此本文也旨在拋磚引玉,希望引起產、學、研界關注。
八、綜述
綜上可知,獲得卓越熱應用能力的高功率LED的關鍵,要注意如下幾點因素:
1. 優秀的產品結構設計;
2. 盡可能短的熱通道長度;
3. 低熱阻和熱穩定性表現優秀的晶片、灌封材料以及熒光粉;
4. 導熱能力超強的固晶粘合材料,持續穩定的固晶工藝;
5. 優質的熱沉材料,配合精準的加工、處理、安裝、使用;
高功率LED在各個領域目前都已經得到廣泛應用,但給照明產品一個持續穩定的熱應用系統,是推進半導體照明產業關鍵之一!