大功率LED封裝

一、影響High Power LED熱阻的主要因素

結(jié)合大功率LED熱流模型和結(jié)構(gòu)，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(dǎo)熱能力；

　   2. 固晶粘合膠的導(dǎo)熱能力以及粘合的品質(zhì)；

　   3. 器件（包括晶片）熱通道的長度；

　   4. 灌封材料的熱導(dǎo)能力；

　   5. 熱沉的熱導(dǎo)能力。

二、LED晶片基本結(jié)構(gòu)

1. 正裝結(jié)構(gòu)的LED晶片基本結(jié)構(gòu)

　   傳統(tǒng)的藍(lán)寶石襯底的GaN基晶片熱通道相對(duì)比較長，而且藍(lán)寶石的熱導(dǎo)系數(shù)較低，使其導(dǎo)熱能力較低。

2. 垂直結(jié)構(gòu)的LED晶片基本結(jié)構(gòu)

　   垂直結(jié)構(gòu)的GaN基晶片熱通道相對(duì)于傳統(tǒng)的正裝晶片較短，而且，采用高導(dǎo)熱金屬材料作為基板，使其具有非常高的熱導(dǎo)能力。此外，由于上下電極的結(jié)構(gòu)，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(tǒng)熱性能主要指標(biāo)—熱阻

　   在穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)間單位熱功率輸運(yùn)所產(chǎn)生的溫度差，則定義為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的熱阻。一般用RthJ-A / R?表示。

式中：

　　RthJ-A：LED器件PN結(jié)到環(huán)境之間的熱阻；

　　TJ：LED器件PN結(jié)溫度；

　　Ta：器件周圍環(huán)境溫度；

　　IF：LED標(biāo)稱正向驅(qū)動(dòng)電流；

　　VF：在標(biāo)稱正向驅(qū)動(dòng)電流下的正向壓降。

在LED器件中分別存在著兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的熱系統(tǒng)：

　　1. 向上的熱系統(tǒng)熱阻： RθU= RθU1+ RθU2+ RθU3

　　2. 向下的熱系統(tǒng)熱阻： RθD= RθD1+ RθD2+ RθD3

四、封裝過程中固晶對(duì)LED熱特性的影響

1. 固晶方式

　   依據(jù)傅里葉方程，可以計(jì)算出不同固晶粘結(jié)材料，在不同的固晶厚度的情況下，傳導(dǎo)熱阻：

式中：

　　Rth：導(dǎo)熱材料的傳導(dǎo)熱阻；

　　k：導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)；

　　L：導(dǎo)熱材料的在導(dǎo)熱方向的距離；

　　A：導(dǎo)熱材料涂敷的橫切面積。

2. 粘結(jié)材料

　   以使用40mil的垂直結(jié)構(gòu)晶片為例，分別采用行業(yè)內(nèi)比較優(yōu)秀的粘結(jié)材料，導(dǎo)熱系數(shù)K=25W/m?K的銀膠，和導(dǎo)熱系數(shù)K=85 W/m?K的銀錫合金焊料，固晶厚度均200μm，固晶粘結(jié)層的熱阻分別為：

　   而實(shí)際上，采用合金焊料固晶粘結(jié)，在固化后的厚度(20μm左右)比銀漿固晶粘結(jié)固化后的厚度(200μm左右)小得多。

3. 固晶作業(yè)

　   在既定的固晶粘結(jié)材料下，造成LED個(gè)體之間的熱應(yīng)用性能的差異，在封裝固晶過程的因素包括：固晶粘結(jié)材料的厚度和均勻度、晶片底部粘結(jié)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(duì)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(yīng)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(jié)合的強(qiáng)度等。

　   因此，基于以上最優(yōu)秀的工藝組合，量子(Quantum)高功率LED，向下的熱系統(tǒng)如圖7所示。

六、封裝過程中管體對(duì)LED熱特性的影響

　   當(dāng)前高功率LED均采用了有機(jī)硅膠進(jìn)行管體灌封，其主要原因是由于有機(jī)硅膠有比環(huán)氧樹脂具有更優(yōu)秀的熱穩(wěn)定表現(xiàn)。下圖8是采用同種晶片、固晶材料和方式、同種封裝結(jié)構(gòu)，僅分別采用了環(huán)氧樹脂和硅膠灌封的100PCS高功率LED的光衰平均測(cè)試值的曲線。

七、被忽略掉的LED器件向上的熱系統(tǒng)

　   當(dāng)前對(duì)高功率LED的熱阻的關(guān)注焦點(diǎn)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(gè)向上的獨(dú)立的熱系統(tǒng)，從而導(dǎo)致器件在使用過程中失效。實(shí)際上在LED器件中，這個(gè)向上獨(dú)立的熱系統(tǒng)是真實(shí)存在的。

1. 高功率LED向上的熱系統(tǒng)的熱流模型

2. 高功率LED向上的熱系統(tǒng)對(duì)器件的影響

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這個(gè)向上的熱系統(tǒng)真實(shí)存在，我們進(jìn)行了以下兩組實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)一：采用世界頂級(jí)的有機(jī)硅膠生產(chǎn)商的兩款不同硅膠進(jìn)行灌封，然后各抽取100PCS進(jìn)行同條件老化；

實(shí)驗(yàn)二：分別對(duì)采用硅膠模造和硅膠灌注兩種制程的高功率LED進(jìn)行同條件老化。

兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1.不同的硅膠進(jìn)行灌封，導(dǎo)致其應(yīng)對(duì)光衰的能力也不一樣；

2.采用硅膠模造的高功率LED在導(dǎo)熱能力上，稍微優(yōu)于帶有PC透鏡的高功率LED。

從進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(yīng)用。但由于目前無法采集到相關(guān)材料的詳細(xì)準(zhǔn)確的熱應(yīng)用數(shù)據(jù)，因此本文也旨在拋磚引玉，希望引起產(chǎn)、學(xué)、研界關(guān)注。

八、綜述

綜上可知，獲得卓越熱應(yīng)用能力的高功率LED的關(guān)鍵，要注意如下幾點(diǎn)因素：

　　1. 優(yōu)秀的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

　　2. 盡可能短的熱通道長度；

　　3. 低熱阻和熱穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)秀的晶片、灌封材料以及熒光粉；

　　4. 導(dǎo)熱能力超強(qiáng)的固晶粘合材料，持續(xù)穩(wěn)定的固晶工藝；

　　5. 優(yōu)質(zhì)的熱沉材料，配合精準(zhǔn)的加工、處理、安裝、使用；

高功率LED在各個(gè)領(lǐng)域目前都已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但給照明產(chǎn)品一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的熱應(yīng)用系統(tǒng)，是推進(jìn)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵之一！