微电子封装课件报告文件

半导体(LED)照明的散热问题中南大学机电工程学院2007年10月

半导体照明发光二极管即将引发第四次“照明革命”。用半导体发光二极管LED作为新光源的固态照明半导体灯，取代传统白炽灯和荧光灯。

LED做为新型照明光源，具有节能、长寿命、免维护、环保等显著优点，同样亮度下其耗电仅为普通白炽灯的1/10，而寿命却可达白炽灯的100倍。

半导体（LED）照明产业背景

美国市场研究公司CIR预测，2004年到2008年5年内全球LED市场将从2004年的32亿美元，增长至2008年的56亿美元，尤其是超高亮度LED（LightEmittingDiode)，销售增长幅度更是惊人，到2008年营收预计可达26.4亿美元。美国能源部预测，2010年美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯替代。LED照明市场前景2004年高亮度LED产值将比2003年增长25％。2005年仍將有15-20%的成長。成長动力將來自於汽車以及7吋以下面板背光源。

2007年以后，照明与显示器市场则是LED产业新的成长动力。

LED发展瓶颈光提取效率低 影响光提取效率的因素有：

P-GaN半透明金属接触电极层对光的透射率为70％左右

P电极上键合焊点和引线对光线的遮挡

GaN材料相对折射率较高，光线在蓝宝石与半透明金属电极之间多次反射和吸收散热能力差对于GaN基的LED，其有源区远离散热体，蓝宝石衬底也是热的不良导体，散热问题将更为严重。半导体照明产业发展瓶颈光提取率、散热问题的在研课题

年度基金种类基金项目名称金额2007.1～2009.12国家自然科学基金面上项目芯片超声倒装多界面能量传递与强度结构演变规律研究(No.50675227)32万2006.1～2008.12国家自然科学基金面上项目半导体照明发光二极管的热超声倒装键合机理与散热性能（No.50575229）30万2006.1～2008.12国家自然科学基金面上项目LEDs照明器件连接制造中的非线性机理及其工艺监测研究(No.50575230)28万2004.9～2006.9横向项目热声倒装键合技术50万散热突破点一：封装连接方式

传统的正装结构LED二极管P电极上键合焊点和引线对光线的遮挡影响光提取效率，大约30％的光被P电极吸收。此外，正装结构封装时上面通常涂敷一层环氧树脂。环氧树脂导热能力差。而且下面衬底（蓝宝石）也是热的不良导体，前后两方面都造成散热的难题，影响器件的性能参数和可靠性。采用倒装结构，光由透明的蓝宝石衬底发出。避免了电极对光线的吸收；散热方面，有源面更接近于散热体，将LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上，以硅作为芯片与散热片的过渡导热体，实现低热阻，同时减小了热应力对器件可靠性的影响。倒装结构有效地解决了P电极对光的吸收和散热问题，使大电流、大功率的LED成为可能。较之传统的正装结构，倒装结构可将LED的光效提高70％。

倒装结构正装结构倒装与正装结构效果比较已开展的重要研究工作1W倒装的LED芯片AuAl

热声倒装键合界面性能上界面——Au/Al界面的STEM测试Au/Al:500nmAu/Al为金属间化合物（Au4Al）AgAu下界面——Au/Ag界面的STEM测试Au/Ag:240nmAu/Al金属间化合物较厚二界面扩散不均匀EDS测试结果原子%重量%Al20.234.42Au79.7795.58提出解决界面性能（散热）问题新工艺思路‘基板传能’模式热声倒装键合工艺‘基板传能’模式热声倒装键合工艺AppliedPhysicsLetters(影响因子4.127,SCI)，MaterialsChemistryandPhysics

，IEEETransactionsonAdvancedPackaging等国际刊物上发表散热突破点二：外壳散热问题高功率LED的发热量是低功率LED的数十倍。温度每升高1℃，发光强度减少约1％，波长变化0.2～0.3nm

散热研究大功率LED截面示意图与热回路LED内部温度分布图

名称导热系数（W/m*k）尺寸（mm）倒装共晶层参数（Au/Sn)58厚度为0.05芯片（CxxxEZ900-Sxx000）2500.9*0.9*0.25基板（Si）1501.9*1.45*0.2固晶层（锡浆）63厚度为0.06内部热沉Al218上：R1.5*2下：R3.5*0.5外部散热板（Al）218R12.5*1.6

换热系数为3W/m2·K的LED内部温度分布换热系数为4W/m2·K的LED内部温度分布

换热系数为5W/m2·K的LED内部温度分布换热系数为6W/m2·K的LED内部温度分布换热系数(W/m2·K)最高温度(℃)最低温度(℃)3200.691199.1114158.407156.8275133.036131.4566116.122114.5427104.041102.461894.98193.400987.93386.3531082.29580.715散热条件与LED结温的关系

改善外部散热条件，可以降低LED工作时的结温。在大功率LED中，应选择合适的外部散热装置，有利于提高装置的散热能力。温度每升高1℃，发光强度减少约1％，波长变化0.2～0.3nm

总的热阻抗表达式:大功率LED阵列示意图

散热鳍片形状可设计成多种阵列形状，如圆柱阵列、条形阵列，或者金字塔的形状等，如图所示。散热鳍片应用于LED模块的散热上，主要是依靠改变散热鳍片的结构设计，来获得鳍片在最小面积之下自然对流的热传改善效果。

几种热沉形状散热方式一：散热鳍片制冷

外壳散热方式分析散热片和风扇结合制冷散热方式二：散热片和风扇制冷

液冷系统由泵、热沉、导水管等部件组成微喷（microjet）和微通道（microchannel）是两种比较重要的主动制冷方式microchannel水冷装置

散热方式三：

微通道（microchannel）制冷

喷嘴的尺寸范围从几微米到几百微米microjet制冷器结构

散热方式四：微喷（microjet）制冷

热管技术:热传导原理与致冷介质的快速热传递性质热管利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。散热方式五：热管技术制冷

热管是通常用作功率LED热沉铜的导热性高100倍。用于笔记本电脑散热的热管属于小型热管,热管的外径为3～5mm,内径一般为2.6～4mm,长度一般小于300mm,可以弯成各种形状。传统的台式计算机和笔记本电脑的中央处理器(CPU)都使用微型风扇和金属翅片来散热冷却,散热量一般为2～4W。随着计算机技术的飞速发展,高性能的CPU的发热量增加了5～6倍,以后的发热量就会越来越大,将会达到5～12W或者更高,常规的自然散热方式及风扇强制散热都难以满足要求。热管散热有体积紧凑、无噪音、高度可靠性等优点,是首选的散热手段。热管技术LED点光源热管技术LED管状光源热管技术LED灯具Neopac公司于2005年9月推出一种称为荷花灯的LED灯具。它由9个采用热管技术的8WLED点光源按园环形排列组成,在Ta=25℃时,结温仅有60℃,仅上升35℃。当控制结温75℃时,封装灯具热阻仅是4138℃/W,输入功率72W,总光通量达到1800lm,照明效果相当于200W的白炽灯。2005年10月16日Neopac公司又宣布研制成80WComboLED灯。10个8W点光源按二排组合,全组为300mm,280mm宽,70mm高,光输出超过2000lm。如果长度延长到600mm,光输出可提高到4000lm以上,室温25℃下。结温可控制在60℃以下,热阻仅4137℃/W。散热方式六：热电制冷

热电制冷的理论基础是固体的热电效应，热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（即帕尔贴效应）的一种制冷方法。随着电子设备尺寸小型化、结构集成化和功能多样化的不断发展，热电制冷将成为电子元件冷却的主流技术。因此，热电制冷器的小型化、微型化是热电制冷的一个发展方向。组成：电偶堆、导流片和陶瓷绝缘板三级热电制冷器基本结构摄像机内部散热结构热电制冷器的等效电路模型,热学等效电路和电学电路两部分。用于分析现有的器件,也可以用来进行器件的优化设计模拟。为设计温度控制系统的一个很好的工具。国外有关实验研究结果证实了热电制冷器不仅具有优异的温控功能，而且还具有优良的抗震性能。热电制冷器与PI控制器相结合进行主动温度控制，可有效的完成器件的温度控制