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从封装结构到封装材料诠释陶瓷线路板

导读: 目前全球LED产业解决散热问题无非从三个方面提升,一个是封装结构,一个是封装材料,还有就是散热基板。只有把热量散发出去才能解决根本问题。

从封装结构到封装材料诠释陶瓷线路板

LED因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点,被称为21世纪最有发展前景的绿色照明光源。统计表明:如果中国50%的光源换用LED,将可实现年节电2100亿千瓦时,相当于再建2.5座三峡工程。同时,其在寿命、应用灵活性等方面也具有不可比拟的优势,将成为未来照明的必定发展方向。

LED的发光原理是直接将电能转换为光能,其电光转换效率大约为20%—30%,光热转换效率大约为70%—80%。随着芯片尺寸的减小以及功率的大幅度提高,导致LED结温居高不下,引起了光强降低、光谱偏移、色温升高、热应力增高、元器件加速老化等一系列问题,大大降低了LED的使用寿命。结温也是衡量LED封装散热性能的一个重要技术指标,当结温上升超过最大允许温度时(150℃),大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED封装设备中,散热是限制其发展的瓶颈,也是必须解决的关键问题。

目前全球LED产业解决散热问题无非从三个方面提升,一个是封装结构,一个是封装材料,还有就是散热基板。只有把热量散发出去才能解决根本问题。

目前应用在散热的封装结构主要有三种:

一、倒装芯片结构

传统的正装芯片,电极位于芯片的出光面,所以会遮挡部分出光,降低芯片的出光效率。同时,这种结构的PN结产生的热量通过蓝宝石衬底导出去,蓝宝石的导热系数较低且传热路径长,因而这种结构的芯片热阻大,热量不易散发出去。从光学角度和热学角度来考虑,这种结构存在一些不足。为了克服正装芯片的不足,2001年Lumileds Lighting公司研制了倒装结构芯片。该种结构的芯片,光从顶部的蓝宝石取出,消除了电极和引线的遮光,提高了出光效率,同时衬底采用高导热系数的陶瓷线路板,大大提高了芯片的散热效果。

二、微喷结构

在该封装系统中,流体腔体中的流体在一定的压力作用下在系列微喷口处形成强烈的射流,该射流直接冲击LED芯片基板下表面并带走LED芯片产生的热量,在微泵的作用下,被加热的流体进入小型流体腔体向外界环境释放热量,使自身温度下降,再次流入微泵中开始新的循环。类似于电脑主板的水冷散热,这种微喷结构具有散热效高、LED芯片基板的温度分布均匀等优点,但微泵的可靠性和稳定性对系统的影响很大,同时该系统结构比较复杂运行成本较高。

三、热电制冷结构

热电制冷器是一种半导体器件,其PN结由两种不同的传导材料构成,一种携带正电荷,另一种携带负电荷,当电流通过结点时,两种电荷离开结区,同时带有热量,以达到制冷的目的。类似于空调制冷原理。但是技术尚不成熟,无法批量应用。

从上述可以看出,LED总体散热效果与各界面之间的散热有很大关系,那么完全可以降低某界面热阻来提升散热效果。封装材料就算其一。封装材料主要就是基板和胶水。目前,LED封装胶水常用的有导热胶、导电银胶还有最新的荧光陶瓷胶。

一、导热胶

常用导热胶的主要成分是环氧树脂,因而其导热系数较小,导热性能差,热阻大。为了提高其热导性能,通常在基体内部填充高导热系数材料如三氧化二铝、氮化硼、碳化硅等。导热胶具有绝缘、导热、防震、安装方便、工艺简单等优点,但其导热系数很低(一般低于1w/mk),因而只能应用在对散热要求不高的LED封装器件上。如果LED功率过大,导热系数就跟不上需求,同样会产生大量结温。

二、导电银胶

导电银胶是GeAs、SiC导电衬底LED,具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片LED封装点胶或备胶工序中关键的封装材料,具有固定粘结芯片、导电和导热、传热的作用,对LED器件的散热性、光反射性、VF特性等具有重要的影响。但是技术不是很成熟,成本价格较高,并未普及。

四、荧光陶瓷胶

具有光学质量最好、性能最高、高硬度、耐腐蚀、耐高温等特点。属于新型技术,比传统导电胶好很多,但是还处于实验阶段,尚未成型。

通过以上的分析,可以看出,真正的散热界面材料基本都还在研制当中,应用还需要一定的时日。LED封装器件的某条散热途径是从LED芯片到键合层到内部热沉到散热基板最后到外部环境,可以看出散热基板对LED封装散热的重要性,因而散热基板必须具有以下特征:高导热性、绝缘性、稳定性、平整性和高强度。

一、金属基板

金属基板是在原有的印制电路板粘结在导热系数较高的金属上(铜、铝等),以达到提高电子器件的散热效果。是连接内外散热通路的关键环节,金属基板的优点是成本比较低,能够大规模生产,但也存在一定的缺点:①导热系数低,MCPCB的热导率可达到1—2.2W/(m·K)。②金属基板结构中的绝缘层厚度要适中,既不能太厚也不能太薄。绝缘层太厚增加了整个金属基板的热阻影响散热效果;绝缘层太薄,如果施加在金属基板上的电压过高会击穿绝缘层,导致短路。

二、陶瓷基板

由陶瓷烧结而成的基板散热性佳、耐高温、耐潮湿、崩溃电压、击穿电压也较高,并且其热膨胀系数匹配性佳,有减少热应力及热形变的特点。因此,陶瓷基板成为大功率LED封装中的重要基板材料。目前最见用的陶瓷材料主要有氧化铝、氮化铝、氧化铍、碳化硅等。

从封装结构到封装材料诠释陶瓷线路板

结论:

1)在大功率LED封装器件中,要实现低热阻、散热快的目的,封装材料成为关键技术所在,努力寻找更优良的封装材料以提高LED封装器件的散热是今后的热点话题。

2)要解决大功率LED封装器件的散热问题,必须选择合适的封装材料(包括热界面材料和基板材料等)。在选择热界面材料及基板材料的过程中,应根据合适的场合选择合适的材料。一般大功率LED封装中使用较普遍的热界面材料是导电银胶,使用较普遍的基板是陶瓷线路板。

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