大功率LED封裝散熱性能的若干問(wèn)題研究.pdf

1、LED以其體積小，全固態(tài)，長(zhǎng)壽命，環(huán)保，省電等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在汽車照明、裝飾照明、手機(jī)閃光燈、大中尺寸（NB、LCD—TV等）顯示屏光源模塊得到廣泛應(yīng)用，成為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一。美國(guó)、歐盟、日本等眾多國(guó)家紛紛出臺(tái)計(jì)劃，投入巨資加速其發(fā)展，以占領(lǐng)能源戰(zhàn)略制高點(diǎn)?，F(xiàn)有LED的電光轉(zhuǎn)換效率約為20％～30％，而70％～80％的能量轉(zhuǎn)化為無(wú)法借助輻射釋放的熱能。如果封裝散熱不良，會(huì)使芯片溫度升高，引起應(yīng)力分布不均、芯片發(fā)光效

2、率降低、熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降。當(dāng)溫度超過(guò)一定值，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升。因此，大功率LED封裝的散熱難題是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化的瓶頸技術(shù)之一，大功率白光LED封裝的散熱性能更是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。 本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外封裝存在的問(wèn)題，首先提出了一種新的大功率LED封裝結(jié)構(gòu)，然后對(duì)該結(jié)構(gòu)及其材料進(jìn)行了理論、實(shí)驗(yàn)分析和工藝研究，再對(duì)采用該結(jié)構(gòu)的5W單芯片白光LED封裝和5W多芯片白光LED陣列封裝進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)并制備了熱阻為8．

3、05K/W的5W單芯片白光LED封裝。論文取得的成果及創(chuàng)新點(diǎn)主要有： （1）針對(duì)目前大功率LED封裝結(jié)構(gòu)普遍存在散熱性能不良，制備工藝復(fù)雜，成本高等缺點(diǎn)，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，我們提出了一種高功率LED兼容集成封裝模塊和一種自散熱式發(fā)光二極管日光燈，并已申請(qǐng)相關(guān)專利兩項(xiàng)。通過(guò)將絕緣層和電極層以薄膜形式直接制備在鋁基板上，減少了大功率LED封裝的內(nèi)部熱沉數(shù)量、減薄內(nèi)部熱沉厚度。不僅提高了大功率LED封裝的散熱性能，而且制備工藝簡(jiǎn)

4、單、成本低、無(wú)污染，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，為解決大功率LED封裝的散熱難題提供了一種新的結(jié)構(gòu)。 （2）通過(guò)理論分析和比較組成散熱基板、絕緣層和電極層的各種材料性能，設(shè)計(jì)并選用鋁作為基板材料、氧化鋁作為絕緣層材料、過(guò)渡層（Ti）/阻擋層（Ni—Cu）/電極層（Ag）的梯度膜系和ITO薄膜兩種作為電極層的結(jié)構(gòu)。 （3）采用ANSYS軟件對(duì)5W單芯片白光LED封裝和5W多芯片白光LED陣列封裝進(jìn)行三維熱力學(xué)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究發(fā)現(xiàn)S

5、W單芯片白光LED封裝的熱阻為5．8K/W，當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時(shí)，芯片最高的結(jié)溫為73．197℃，可以滿足大功率LED封裝的散熱要求；5W多芯片白光LED陣列封裝的熱阻為3．986K/W，當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時(shí)，芯片最高的結(jié)溫為65．994℃，可以滿足大功率LED封裝的散熱要求；優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)后采用厚度為1．1 mm的鋁基板，空氣對(duì)流系數(shù)為10W/（㎡·K）時(shí)，5W多芯片白光LED陣列封裝的熱阻為2．563 K/W。該封裝結(jié)構(gòu)無(wú)論是應(yīng)用于單

6、芯片還是多芯片陣列封裝，都可以滿足LED的散熱要求。 （4）采用硬質(zhì)硫酸陽(yáng)極氧化法制備了厚度為30．2um，介電強(qiáng)度為32．5V/um氧化鋁絕緣層，通過(guò)理論研究和測(cè)試分析了絕緣層鍍膜后短路的機(jī)理并指出了改進(jìn)方法。 （5）研究了電極層的材料和制備工藝，采用直流磁控濺射法制備出Ti（150nm）/Ni—Cu（400nm）/Ag（200nm）組成的梯度膜系作為電極層，其電阻率為3×10-6Ω·cm，平均抗拉強(qiáng)度為4．22MPa

7、，膜層表面缺陷較少，致密性好，焊接性能好，滿足電極層的需求。 （6）提出了在氧化鋁絕緣層上采用射頻磁控直流濺射法制備ITO薄膜作為電極層的過(guò)程中引入紫外在線輻照來(lái)降低ITO薄膜電阻率的新工藝，并申請(qǐng)了相關(guān)專利一項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)表明在紫外輻照條件下制備的樣品的電阻率、表面形貌和生長(zhǎng)取向明顯優(yōu)于未經(jīng)紫外輻照的樣品，在線紫外輻照下最低方阻為5Ω/□，電阻率為2．5×10-4Ω·cm，平均抗拉強(qiáng)度為5．3MPa，表面缺陷少，致密度好，趨于[22