解決大功率LED散熱問題的3 種封裝結構及4種封裝材料詳解

LED的發光原理是直接將電能轉換為光能，其電光轉換效率大約為20%—30%，光熱轉換效率大約為70%—80%。隨著晶片尺寸的減小以及功率的大幅度提高，導致LED結溫居高不下，引起了光強降低、光譜偏移、色溫升高、熱應力增高、元器件加速老化等一系列問題，大大降低了LED的使用壽命。結溫也是衡量LED封裝散熱性能的一個重要技術指標，當結溫上升超過最大允許溫度時(一般為150℃)，大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED封裝設備中，散熱是限制其發展的瓶頸，也是必須解決的關鍵問題。

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大功率LED封裝散熱分析

下圖為LED封裝結構圖，由圖分析出該封裝散熱途徑如下：(1)LED晶片—封裝透鏡—外部環境(2)LED晶片—鍵合層—內部熱沉—散熱基板—外部環境(3)LED晶片—金線—電極—外部環境。由於封裝體內部各材料的導熱係數不同，因而大部分熱量都是通過第二條散熱途徑傳至外部環境。

LED封裝器件的總熱阻由各環節的熱阻串聯而成可表示為：

Rtotal=Rchip+Rchip-TIM+RTIM+RTIM-Cu+RCu+RCu-MCPCB+RMCPCB+RMCPCB-air

其中，Rchip為晶片熱阻，Rchip-TIM為晶片與鍵合層之間的界面熱阻，RTIM為鍵合層的熱阻，RTIM-Cu為熱界面材料與內部熱沉之間的界面熱阻，RCu為內部熱沉的熱阻，RCu-MCPCB為內部熱沉與金屬線踏板，RMCPCB為金屬線踏板的熱阻，RMCPCB-air為金屬線踏板到空氣的熱阻。

通過上式分析可知LED封裝器件的總熱阻由多個熱阻串聯而成，大量研究表明Rchip-TIM+RTIM+RTIM-Cu佔總熱阻的絕大部分，是影響總熱阻的關鍵因素，因而封裝材料(尤其是熱界面材料)的選擇對總熱阻的影響至關重要。此外，封裝結構對大功率LED封裝散熱也有一定的影響。

影響大功率LED封裝散熱的主要因素

散熱問題是大功率LED封裝急需重點解決的難題，散熱效果的優劣直接關係到LED路燈的壽命和出光效率。有效地解決大功率LED封裝的散熱問題，對提高大功率LED封裝的可靠性和壽命具有重要作用。為了解決大功率LED封裝中的散熱問題最直接的方法莫過於選擇合適的封裝結構和封裝材料來降低LED封裝的內部熱阻，確保熱量由內向外快速散發。

封裝結構

為了解決大功率LED封裝中的散熱問題，國內外的業界人士開發了多種封裝結構。

倒裝晶片結構

對於傳統的正裝晶片，電極位於晶片的出光面，因而會遮擋部分出光，降低晶片的出光效率。同時，這種結構的PN結產生的熱量通過藍寶石襯底導出去，藍寶石的導熱係數較低且傳熱路徑長，因而這種結構的晶片熱阻大，熱量不易散發出去。從光學角度和熱學角度來考慮，這種結構存在一些不足。為了克服正裝晶片的不足，2001年Lumileds Lighting公司研製了倒裝結構晶片。該種結構的晶片，光從頂部的藍寶石取出，消除了電極和引線的遮光，提高了出光效率，同時襯底採用高導熱係數的矽，大大提高了晶片的散熱效果。

微噴結構

Sheng Liu 等人提出了一種微噴結構系統來解決了大功率LED的散熱問題。在該密封系統中，流體腔體中的流體在一定的壓力作用下在系列微噴口處形成強烈的射流，該射流直接衝擊LED晶片基板下表面並帶走LED晶片產生的熱量，在微泵的作用下，被加熱的流體進入小型流體腔體向外界環境釋放熱量，使自身溫度下降，再次流人微泵中開始新的循環。這種微噴結構具有散熱效高、LED晶片基板的溫度分布均勻等優點，但微泵的可靠性和穩定性對系統的影響很大，同時該系統結構比較複雜增加了運行成本。

熱電製冷結構

熱電製冷器是一種半導體器件，其PN結由兩種不同的傳導材料構成，一種攜帶正電荷，另一種攜帶負電荷，當電流通過結點時，兩種電荷離開結區，同時帶有熱量，以達到製冷的目的，其工作原理如下圖所示。

與其他大功率LED散熱結構相比，熱電製冷結構具有節能，小體積，易於與LED模塊集成等優點。目前國內外已有部分學者對大功率LED模塊上應用熱電製冷結構進行了相關研究。田大壘等人將熱電製冷結構應用在LED的散熱系統上，並通過實驗測試研究LED以及熱電製冷器在不同電流下的冷卻狀況，並測出LED結溫，結果表明，採用熱電製冷結構的大功率LED陳列模塊能夠大大降低器件的工作溫度，與不採用該結構相比，基板溫度能夠降低36%以上，該數據表明將熱電製冷結構用在大功率LE D模塊上是一種很好的散熱方式。

鄭同場等人對採用熱電製冷結構的50W大功率LED模組系統進行了散熱模擬，LED模組系統結構如下圖所示，結果表明在某種程度上採用熱電製冷的LED模組系統能使LED結溫降低並且使用多級半導體製冷對大功率LED模組進行散熱有更廣闊的研究價值。

Chun Kai Liu等人對大功率LED上採用熱電製冷結構也進行了研究，結果表明採用熱電製冷結構可以有效地將整個LED系統的熱阻降低到0，此外該研究組的成員還對採用熱電製冷的1W LED系統進行相關研究，研究結果表明LED系統中含有熱電製冷系統結構的光效是沒有熱電製冷系統結構的1.3倍，可見熱電製冷系統對LED的熱阻及光效都有重要的影響。

封裝材料

通過上式的分析可以看出界面熱阻對大功率LED總熱阻的影響很大，減少LED總熱阻的要點在於如何減少界面熱阻，因而選擇合適的熱界面材料與基板材料十分重要。

熱界面材料

目前，LED封裝常用的熱界面材料有導熱膠、導電銀膠等。

(a)導熱膠

常用導熱膠的主要成分是環氧樹脂，因而其導熱係數較小，導熱性能差，熱阻大。為了提高其熱導性能，通常在基體內部填充高導熱係數材料如三氧化二鋁、氮化硼、碳化矽等。導熱膠具有絕緣、導熱、防震、安裝方便、工藝簡單等優點，但其導熱係數很低(一般低於1w/mk)，因而只能應用在對散熱要求不高的LED封裝器件上。

(b)導電銀膠

導電銀膠是GeAs、SiC導電襯底LED，具有背面電極的紅光、黃光、黃綠晶片LED封裝點膠或備膠工序中關鍵的封裝材料，具有固定粘結晶片、導電和導熱、傳熱的作用，對LED器件的散熱性、光反射性、VF特性等具有重要的影響。作為一種熱界面材料，目前導電銀膠在LED行業中得到廣泛的應用。如此同時，部分學者對導電銀膠在LED中的應用進行了相關研究。郝曉光從導電銀膠的導電機理、LED封裝用高可靠性導電銀膠的性能指標、測試技術等方面的要求得出單組分無溶劑室溫貯存散熱型導電銀漿是目前LED封裝的發展方向，具有良好的前景。

基板材料

通過以上的分析，LED封裝器件的某條散熱途徑是從LED晶片到鍵合層到內部熱沉到散熱基板最後到外部環境，可以看出散熱基板對LED封裝散熱的重要性，因而散熱基板必須具有以下特徵：高導熱性、絕緣性、穩定性、平整性和高強度。

(a)MCPCB

金屬基印製板(MCPCB)是在原有的印製電路板粘結在導熱係數較高的金屬上(銅、鋁等)，以達到提高電子器件的散熱效果。MCPCB是連接內外散熱通路的關鍵環節，它有以下功能：①LED晶片的散熱通道;②LED晶片的電氣連接;③LED晶片的物理支撐。

MCPCB的優點是成本比較低，能夠大規模生產，但也存在一定的缺點：①導熱係數低，MCPCB的熱導率可達到1—2.2W/(m·K)。②MCPCB結構中的絕緣層厚度要適中，既不能太厚也不能太薄。絕緣層太厚增加了整個MCPCB的熱阻影響散熱效果;絕緣層太薄，如果施加在MCPCB上的電壓過高會擊穿絕緣層，導致短路。為了提高MCPCB的熱導率，李華平等人通過系列實驗，將20um到40um等離子微弧氧化(MAO)膜的工藝參數進行優化，將其熱導率達到2.3 W/(m·K)，因而MAO—MCPCB基板的熱阻更低(低於10K/W)，從而使得該類型的散熱基板在LED行業甚至是普通照明行業中將大露頭角。

(b)陶瓷基板

由陶瓷燒結而成的基板散熱性佳、耐高溫、耐潮溼、崩潰電壓、擊穿電壓也較高，並且其熱膨脹係數匹配性佳，有減少熱應力及熱形變的特點。因此，陶瓷有望成為今後大功率LED封裝中的重要基板材料。目前最見用的陶瓷材料主要有氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹、碳化矽等。這些常用陶瓷材料的性能見下表。

從上表的數據可以看出，氮化鋁、氧化鈹、碳化矽這三種材料的導熱性比較好，氧化鋁的導熱性較差，大約是氮化鋁的七分之一。但在這三種高導熱係數的材料中，BeO有毒性，若不慎將其吸人肺部會引起肺鈹病，目前世界上已有部分國家開始禁用該材料;AlN雖然導熱係數高，但是技術門檻相對較高，因此價格也比較高;純的SiC並不是完全絕緣的，要使其完全絕緣必須添加少量的BeO等材料，並且燒制出的SiC介電常數比較高，並不適合做基板材料;Al2O3除了導熱性較差之外，成本也比較高，但是其具有機械性能好，製作工藝成熟、成本低等優點。因而，在今後的研發和生產工作中，要想選擇合適的陶瓷材料作為基板材料，應綜合全面地考慮這四種材料的性質、成本等特性。

通過對大功率LED器件的熱阻進行分析，並從封裝結構和封裝材料兩個方面進行具體的探討，得出如下結論：

1)在大功率LED封裝器件中，要實現低熱阻、散熱快的目的，封裝結構成為關鍵技術所在，努力尋找更優良的封裝結構以提高LED封裝器件的散熱是今後的熱點話題。

2)要解決大功率LED封裝器件的散熱問題，必須選擇合適的封裝材料(包括熱界面材料和基板材料等)。在選擇熱界面材料及基板材料的過程中，應根據合適的場合選擇合適的材料。一般大功率LED封裝中使用較普遍的熱界面材料是導電銀膠，使用較普遍的基板是陶瓷基板。