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1、姓名：朱 江专业：物理电子学课程：电子器件封装大功率大功率LED散热封装技散热封装技术术Heat-Release Package of High Power LEDsn1 1、引言引言n2 2、热效应对大功率热效应对大功率LEDLED的影响的影响n3 3、封装结构封装结构 硅基倒装芯片（硅基倒装芯片（FCLEDFCLED）结构）结构 金属线路板结构金属线路板结构 微泵浦结构微泵浦结构 半导体制冷结构半导体制冷结构n4 4、发展趋势发展趋势引言引言 LED是一种注入电致发光器件，在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将一部分能量转化为光能，即量子效应，而无辐射复合产生的晶格振荡将

2、其余的能量转化为热能。对大于1W级的大功率LED而言。目前的电光转换效率约为15，剩余的85转化为热能，而芯片尺寸仅为1mmx1mm-2.5mmx2.5mmm，意即芯片的功率密度很大。与传统的照明器件不同，自光LED的发光光谱中不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放。因此，如何提高散热能力是大功率LED实现产业化有待解决的关键技术难题之一。热效应对大功率热效应对大功率LEDLED的影响的影响 对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片的温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明，当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规

3、律攀升，元件温度每上升2，可靠性将下降10%。为了保证器件的寿命，一般要求pn结的结温在110以下。 随着pn结的温升，白光LED器件的发光波长将发生红移。据统计资料表明，在100 的温度下，波长可以红移4-9nm，从而导致YAG荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度变差。在室温附近，温度每升高1，LED的发光强度会相应减少1左右，当器件从环境温度上升到120时，亮度下降多达35。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。因此，解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件。硅基倒装芯片（硅基倒装芯片（FCLED）结构）结构 传统的LED采用正装结构，上面通常涂敷一层

4、环氧树脂，采用蓝宝石作为衬底。钱可元, 郑代顺, 罗毅GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析J. 半导体光电, 2006, 27(3)：236-239图1、正面出光大功率LED芯片结构示意图 由于环氧树脂的导热能力很差，蓝宝石又是热的不良导体，热量只能靠芯片下面的引脚散出，因此前后两方面都造成散热困难，影响了器件的性能和可靠性。 2001年Lumileds公司研制出了AlGaInN功率型封装芯片结构。图2、倒装焊大功率LED芯片结构示意图 这样，大功率LED产生的热量不必经由芯片的蓝宝石衬底，而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座。由于其有源发热区更接近于散热体，因此可降低内

5、部热沉热阻。这种结构的热阻理论计算最低可达到1.34KW实际已作到6-8KW，出光率也提高了60左右。 但是，热阻与热沉的厚度是成正比的，因此受硅片机械强度与导热性能所限。很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻，这就制约了其传热性能的进一步提高。金属线路板结构金属线路板结构 金属线路板结构利用铝等金属具有极佳的热传导性质，将芯片封装到覆有几毫米厚的铜电极的PCB板上，或者将芯片封装在金属夹芯的PCB板上，然后再封装到散热片上，以解决LED因功率增大所带来的散热问题。采用该结构能获得良好的散热特性，并大大提高了LED的输入功率。美国UOE公司的Norlux系列LED，将已封装的产品组装在带有

6、铝夹层的金属芯PCB板上，其中PCB板用作对LED器件进行电极连接布线，铝芯夹层作为热沉散热。Hsa Y P,Chang S J,Su Y K,etal. InGaN/GaN light-emitting diodes with a reflector at the backside of sapphire substrates J. Journal of Electronic Materials, 2003, 32(5):403-406 图3示出金属线路板结构。其缺陷在于，夹层中的PCB板是热的不良导体它会阻碍热量的传导。图3、金属线路板结构 据研究，将OSRAM 公司的Golden Dra

7、g-on系列白光LED芯片LW W5SG倒装在一块3mm x3mm，且水平放置的金属线路板上，在LED器件与金属线路板之间涂敷1898In-Sil-8热接口材料，其系统热阻约为66.12K/W。微泵浦结构微泵浦结构 2006年Sheng Liu等人通过在散热器上安装一个微泵浦系统，解决了LED的散热问题，并发现其散热性能优于散热管和散热片。在封闭系统中，水在微泵浦的作用下进入了LED的底板小槽吸热，然后又回到小的水容器中，再通过风扇吸热。图4示出这种微泵浦结构。它能将外部热阻降为0.192KW，并能进行封装。这种微泵结构的制冷性较好。Sheng Liu, Tim Lin, Xiaobing L

8、uo, etal,A Microjet Array Cooling System For Thermal Management of Active Radars and High-Brightness LEDs A. Electronic Components and Technology ConferenceC. 2006：1634-1638 但如前两种结构一样，若内部接口的热阻很大，则其热传导就会大打折扣，而且结构也嫌复杂。图4、微泵浦结构徐德胜. 半导体制冷与应用技术 M上海交通大学出版社 , 1992.半导体制冷器件的工作原理半导体制冷器件的工作原理半导体制冷结构半导体制冷结构 半导体

9、制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变。 吸收和放出的热量与电流强度I成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关，即： Qab=I*ab I-流经导体的电流，ab称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数，单位为V，ab为正值时，表示吸热，反之为放热，由于吸放热是可逆的，所以ab = -ab，帕尔帖系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度。 金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得

10、多，因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。 当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端；由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。图5、半导体制冷结构半导体制冷结构的优点：半导体制冷结构的优点： 半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1cm小的制冷器；重量轻，微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克。无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响

11、，在大的机械过载条件下，能够正常地工作；通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率；通过切换电流方向，可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态；作用速度快，使用寿命长，且易于控制。 发展趋势发展趋势o 在氮化镓材料的生长过程中，改进材料结构，优化生长参数，获得高质量的外延片；提高器件内量子效率，从根本上减少热量的产生，加快芯片结到外延层的热传导。o 选择以铝基为主的MCPCB 、陶瓷、复合金属基板等导热性能好的材料作衬底，以加快热量从外延层向散热基板散发。通过优化MCPCB板的热设计，或将陶瓷直接绑定在金属基板上形成金属基低温烧结陶瓷基板，以获得热导性能好，热膨胀系数小的衬底。p选择以铝基为主的金属芯印刷电路板、陶瓷、DBC、复合金属基板等导热性能好的材料作衬底，以加快热量从外延层向散热基板散发。通过优化MCPCB板的热设计，或将陶瓷直接绑定在金属基板上形成金属基低温烧结陶瓷基板，以获得热导性能好，热膨胀系数