大功率LED封裝散熱性能的若干問題研究.pdf

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

2、率降低、熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降。當溫度超過一定值，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內(nèi)外的研究熱點。 本文針對目前國內(nèi)外封裝存在的問題，首先提出了一種新的大功率LED封裝結(jié)構(gòu)，然后對該結(jié)構(gòu)及其材料進行了理論、實驗分析和工藝研究，再對采用該結(jié)構(gòu)的5W單芯片白光LED封裝和5W多芯片白光LED陣列封裝進行了仿真優(yōu)化設計，最后設計并制備了熱阻為8．

3、05K/W的5W單芯片白光LED封裝。論文取得的成果及創(chuàng)新點主要有： （1）針對目前大功率LED封裝結(jié)構(gòu)普遍存在散熱性能不良，制備工藝復雜，成本高等缺點，通過理論分析和實驗研究，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，并已申請相關專利兩項。通過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

4、單、成本低、無污染，符合RoHS標準，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，設計并選用鋁作為基板材料、氧化鋁作為絕緣層材料、過渡層（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5W單芯片白光LED封裝和5W多芯片白光LED陣列封裝進行三維熱力學仿真優(yōu)化設計，研究發(fā)現(xiàn)S

5、W單芯片白光LED封裝的熱阻為5．8K/W，當環(huán)境溫度為50℃時，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，當環(huán)境溫度為50℃時，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，空氣對流系數(shù)為10W/（㎡·K）時，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)無論是應用于單

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)硫酸陽極氧化法制備了厚度為30．2um，介電強度為32．5V/um氧化鋁絕緣層，通過理論研究和測試分析了絕緣層鍍膜后短路的機理并指出了改進方法。 （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程中引入紫外在線輻照來降低ITO薄膜電阻率的新工藝，并申請了相關專利一項。實驗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，平均抗拉強度為5．3MPa，表面缺陷少，致密度好，趨于[22