作者：浙江大學(xué) 蘇達 王德苗
=p ,+a/* x%ju(B> 摘要：如何提高大功率發(fā)光二極管(Li t Emitting Diode，簡稱
LED)的散熱能力，是LED器件封裝和器件應(yīng)用設(shè)計要解決的核心問題。詳細分析了國內(nèi)外大功率LED散熱封裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀；總結(jié)了其發(fā)展趨勢，并指出了減少內(nèi)部熱沉可能是今后的發(fā)展方向。
M 9'Qs m 關(guān)鍵詞：電力
半導(dǎo)體器件；發(fā)光二極管；光電元件；散熱；封裝
SQhk)S 1 引 言 3^AycwNBA 發(fā)光二極管(LED)誕生至今．已經(jīng)實現(xiàn)了全彩化和高亮度化，并在藍光LED和紫光LED的基礎(chǔ)上開發(fā)了
白光LED．它為人類
照明史又帶來了一次飛躍。與自熾燈和熒光燈相比，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，已廣泛用于汽車照明、裝飾照明、手機閃光燈、大中尺寸，即NB和
LCD．TV等
顯示屏光源模塊中。已經(jīng)成為2l世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一LED是一種注入電致發(fā)光器件．由Ⅲ～Ⅳ 族化合物，如磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)等半導(dǎo)體制成 在~I-DN電場作用下．電子與空穴的輻射復(fù)合而發(fā)生的電致作用將一部分能量轉(zhuǎn)化為光能． 即量子效應(yīng)，而無輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格振蕩將其余的能量轉(zhuǎn)化為熱能。目前，高亮度白光LED在實驗室中已經(jīng)達到1001m／W 的水平，501m／w 的大功率白光LED也已進入商業(yè)化，單個LED器件也從起初的幾毫瓦一躍達到了1．5kW。對大于1W 級的大功率LED而言，目前的電光轉(zhuǎn)換效率約為15％，剩余的85％轉(zhuǎn)化為熱能．而芯片尺寸僅為1mm×1mm～2．5mm~2．5mm．意即芯片的功率密度很大 與傳統(tǒng)的照明器件不同，白光LED的發(fā)光
光譜中不包含紅外部分．所以其熱量不能依靠輻射釋放。因此，如何提高散熱能力是大功率LED實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一l】1。
C` ?6`$Y 2 熱效應(yīng)對大功率LED的影響 xdb9oH 對于單個LED而言．如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)而不能有效散出．則會導(dǎo)致芯片的溫度升高．引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當(dāng)溫度超過一定值時．器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升．元件溫度每上升2℃，可靠性將下降l0％l2】。為了保證器件的壽命，一般要求pn結(jié)的結(jié)溫在110℃以下。隨著pn結(jié)的溫升．白光LED器件的發(fā)光波長將發(fā)生紅移據(jù)統(tǒng)計資料表明．在100℃的溫度下．波長可以紅移4～9 nm．從而導(dǎo)致YAG熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高l℃．LED的發(fā)光強度會相應(yīng)減少l％左右．當(dāng)器件從環(huán)境溫度上升到l20℃時．亮度下降多達35％。當(dāng)多個LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時．熱量的耗散問題更嚴(yán)重。因此解決散熱問題已成為功率型LED應(yīng)用的先決條件。
,#3u. =IR[ 3 國內(nèi)外的研究進展 mX3~rK>@~ 針對高功率LED的封裝散熱難題．國內(nèi)外的器件設(shè)計者和制造者分別在結(jié)構(gòu)、材料以及工藝等方面對器件的熱系統(tǒng)進行了
優(yōu)化設(shè)計。例如。在封裝結(jié)構(gòu)上，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)、金屬線路板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱槽結(jié)構(gòu)、微流陣列結(jié)構(gòu)等；在材料的選取方面，選擇合適的基板材料和粘貼材料，用硅樹脂代替環(huán)氧樹脂。
qR^KvAEQSo 3．1 封裝結(jié)構(gòu)
X]ow5{e 為了解決高功率LED的封裝散熱難題，國際上開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)，主要有：
=r=[e}&9 (1)硅基倒裝芯片(FCLED)結(jié)構(gòu)
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