基于陶瓷基板led面光源研究

1、LED 光源有點(diǎn)光源和面光源之分， LED 點(diǎn)光源屬于傳統(tǒng)封裝形式,廣泛應(yīng)用于各個相關(guān)的領(lǐng)域 ,經(jīng)過近四十年的發(fā)展 ,已形成一系列的主流產(chǎn)品形式。 LED 的面光源屬于個性化封裝形式 ,主要為一些個性化案例的應(yīng)用產(chǎn)品而設(shè)計和生產(chǎn),目前還沒有形成主流產(chǎn)品形式但將會是未來幾年的發(fā)展趨勢。隨著 LED 芯片功率的不斷提高，大功率LED 所面臨的散熱問題也越發(fā)嚴(yán)重。與白熾燈、鹵鎢燈不同的是溫度升高非但不會增加效率，結(jié)溫上升會大幅度下降效率，更高的結(jié)溫更會使器件光輸出明顯隨時間衰減，而使壽命降低。這樣就會喪失LED 壽命長、效率高的優(yōu)點(diǎn)。由于芯片結(jié)溫的高低直接影響到LED 出光效率、色度漂離和器件壽命等

2、參數(shù)，如何提高封裝器件散熱能力、降低芯片溫度成為大功率LED 結(jié)構(gòu)設(shè)計中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。采用面光源技術(shù)，可以較好解決散熱難題。與直插式和SMD 封裝技術(shù)相比，面光源封裝不僅能夠節(jié)約空間、簡化封裝作業(yè)，而且還能通過基板直接散熱，從而具有更高效的熱管理方式。此外，面光源封裝不需要回流焊，從而可以避免高溫對芯片造成傷害 ; 同時，由于工藝簡單，也降低了成本。本項目采用氮化鋁基板，研制高效低熱阻LED 面光源，并完成基于低熱阻LED面光源的新型燈具的產(chǎn)業(yè)化。通過軟件分析，進(jìn)行與氮化鋁材料相匹配的封裝膠的選擇，同時對氮化鋁基板模型設(shè)計，完成氮化鋁LED 面光源封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后試制出低熱阻 LE

3、D 面光源。將若干顆大功率藍(lán)光LED 芯片固定在氮化鋁基板上，通過對氮化鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計、封1裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、燈具設(shè)計等方面的研究，試制出高性能的LED 面光源燈具，并且直接可應(yīng)用于 LED 吸頂燈、 LED 球泡燈、 LED 路燈、 LED 礦燈、 LED 無影燈等，產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)、社會效益。目前，淮安主要 LED 燈具生產(chǎn)企業(yè)有淮安市祥光電子電器有限公司、淮安麒麟電子有限公司等，企業(yè)的產(chǎn)品均存在不同程度的散熱難題，因此，通過本項目的研究，解決企業(yè)產(chǎn)品散熱問題，試制低熱阻LED 面光源，替換原來燈具產(chǎn)品中的點(diǎn)光源，提高燈具產(chǎn)品性能與壽命。意義在成本上，與點(diǎn)光源燈具相比，面光源模塊在照明應(yīng)用中可以節(jié)省器

4、件封裝成本、光引擎模組制作成本和二次配光成本。在相同功能的照明燈具系統(tǒng)中，總體可以降低30%左右的成本 ，這對于半導(dǎo)體照明的應(yīng)用推廣有著十分重大的意義。在性能上 ,通過合理地設(shè)計和模造微透鏡,面光源模塊可以有效地避免點(diǎn)光源器件組合存在的點(diǎn)光、 眩光等弊端 ,還可以通過加入適當(dāng)?shù)募t色芯片組合,在不降低光源效率和壽命的前提下 ,有效地提高光源的顯色性(目前已經(jīng)可以做到90 以上 )。在應(yīng)用上 ,面光源模塊可以使照明燈具廠的安裝生產(chǎn)更簡單和方便。在生產(chǎn)上 ,現(xiàn)有的工藝技術(shù)和設(shè)備完全可以支持高良品率的面光源模塊的大規(guī)模制造。隨著面光源照明市場的拓展 ,燈具需求量在快速增長,我們完全可以根據(jù)不同燈具應(yīng)用

5、的需求,逐步形成系列面光源模塊主流產(chǎn)品,以便大規(guī)模生產(chǎn)。傳統(tǒng)的 LED 分立光源器件難以適應(yīng)照明領(lǐng)域?qū)π阅?、成本、?yīng)用配合和使用習(xí)慣的要求面光源模塊將成為今后LED 光源照明應(yīng)用的主要封裝形式。我們半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)界應(yīng)當(dāng)調(diào)整發(fā)展思路,做出相應(yīng)的變革。研究不同照明應(yīng)用的共性特點(diǎn)和系統(tǒng)的解決方案 ,形成若干種面光源模塊主流產(chǎn)品形式并加以推廣應(yīng)用。25）項目組擁有 LED 面光源方面專利 2 項，分別是自檢測自修正可維修多芯LED模組、光源可替換式LED 手電筒。本項目研究國內(nèi)外競爭情況及產(chǎn)業(yè)化前景。1）國際上 LED 面光源燈具性能優(yōu)，價格高。東芝照明于2011 年 9 月 30 日發(fā)布的 LED

6、燈泡 “ 8.7W普通燈泡型 ”相當(dāng)于 60W 白熾燈泡，日光色產(chǎn)品的總光通量為810lm、發(fā)光效率達(dá)到了93lm/W 。為此，該產(chǎn)品采用了并排安裝100 余個數(shù)十 mW 等級小型LED 的面光源結(jié)構(gòu)大型封裝。 德國歐司朗公司與西門子公司合作開發(fā)面光源照明系統(tǒng)。采用面光源制作的LED 燈具 ,外觀好 ,參數(shù)準(zhǔn)確，充分發(fā)揮出LED 耗電量低、電壓低、體積小、使用壽命長、高亮度低熱量、無眩光、無輻射、抗震抗沖擊性良好的優(yōu)點(diǎn),不產(chǎn)生有害物質(zhì) ,非常的環(huán)保節(jié)能。國外產(chǎn)品具有高效、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其價格高等問題，目前市場占有率較少。2)、國內(nèi)低端產(chǎn)品較多，價格便宜。國內(nèi)LED 面光源主要集中在中山

7、等地，面光源散熱問題比較嚴(yán)重，性能一般，壽命較低，價格較低。很多廠家還在爭搶商業(yè)照明和工程照明，還沒真正涉及家用市場，LED 家用 LED 照明市場目前處于發(fā)芽階段，所以我們進(jìn)行低熱阻LED 面光源的研究，燈具的產(chǎn)品主要定位在家用LED 燈具上，如球泡燈、吸頂燈等，這有利于我們進(jìn)入國內(nèi)較高端市場。3)、省內(nèi) LED 面光源照明產(chǎn)品主要集中在揚(yáng)州、鎮(zhèn)江等地。對于家用市場來講，輔助燈具（射燈、筒燈）產(chǎn)品實際上占總體家用燈具份額比重很少，而吸頂燈、球泡燈等幾乎是每個城鎮(zhèn)家庭必不可少的，所以省內(nèi)對LED 面光源燈具的需求將是非常大的。4)、本市目前能夠自主研發(fā)基于面光源技術(shù)的LED 燈具的單位非常少。

8、所以我們利用實驗室環(huán)境，以及淮安祥光電子電器有限公司合作開發(fā)基于低熱阻LED 面光源技3術(shù)的研究與開發(fā)，并推向市場，給人們帶來淮安企業(yè)研發(fā)的高效節(jié)能低成本LED 燈具產(chǎn)品。與此同時，政府對此大力支持，也刺激了老百姓對LED 的實際需求欲望，所以不久以后 LED 照明將成為未來最大的照明市場，所以本項目的產(chǎn)業(yè)化前景非常光明。二、項目內(nèi)容1、主要研究內(nèi)容：1）利用有限元仿真軟件對面光源封裝的熱管理方案進(jìn)行了優(yōu)化分析通過對 LED 面光源封裝中常用的陶瓷基板和金屬基板這兩類不同的基板材料進(jìn)行有限元熱仿真模擬，獲得各自芯片到基板的仿真熱阻，再使用紅外熱成像儀得到兩種基板各自的表面溫度分布情況并計算出實

9、際熱阻。仿真熱阻與實際熱阻的一致性表明了所采用的仿真計算方法的可用性。利用有限元仿真對面光源封裝的熱管理方案進(jìn)行了優(yōu)化分析。 研究表明 : 相對于金屬基板， 陶瓷基板由于無絕緣層這一散熱瓶頸，其芯片到 基板的熱阻值約為金屬基板封裝方案的1/2 ; 而且陶瓷基板有著更大的熱管理優(yōu)化空間，能更好地滿足大功率LED 封裝的散熱需要。2）設(shè)計不同封裝結(jié)構(gòu)模型，利用ansys 軟件進(jìn)行熱學(xué)分析圖一 面光源結(jié)構(gòu) 1（左）以及熱阻模型（右）LED 芯片用粘結(jié)膠粘合至線路板上，芯片電極直接焊接在線路板銅箔上，芯片頂4部涂覆熒光粉，外部采用硅膠封裝，線路板層通過粘結(jié)隔離層粘結(jié)材料與鋁基板連接，鋁基板涂覆導(dǎo)熱硅脂

10、，最終與鋁制散熱器結(jié)合。結(jié)構(gòu)示意圖見上圖。圖二 面光源結(jié)構(gòu) 2（左）以及熱阻模型（右）面光源結(jié)構(gòu) 2 封裝則在陶瓷基板上開槽， 將 LED 芯片置于槽內(nèi)。在垂直熱通道上，芯片穿過銅箔、粘結(jié)隔離層，直接通過粘結(jié)膠焊接至鋁基板。3）研究面光源控制電路本項目采用恒流驅(qū)動，本擬采用具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的供載電源對照明用多芯整體LED 燈進(jìn)行供電， AC220V 無需降壓直接整流濾波供電，無功損耗小，溫度低，可提高直流輸出的波形質(zhì)量與負(fù)載能力。本項目在控制加入可調(diào)電阻，實現(xiàn)LED 球泡燈的亮度隨意調(diào)節(jié)。重點(diǎn)解決面光源技術(shù)中存在的重點(diǎn)問題，防止由于單科LED 損壞造成的產(chǎn)品失效，在封裝工藝中引入IC 芯片，在

11、單科 LED 損壞的時候不會影響整燈的工作（本技術(shù)已經(jīng)申請專利） 。4）培訓(xùn)基于低熱阻LED 面光源的封裝技術(shù)人員針對面光源封裝技術(shù)人員缺乏，充分利用現(xiàn)有設(shè)備設(shè)施開展技術(shù)培訓(xùn)，培養(yǎng)了大批學(xué)技術(shù)、懂技術(shù)、用技術(shù)的新型封裝技術(shù)人員。5）基于低熱阻 LED 面光源技術(shù)新型燈具標(biāo)準(zhǔn)的制定制定適合各類燈具應(yīng)用的面光源技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，撰寫標(biāo)準(zhǔn)文稿，以便于更高的進(jìn)行技5術(shù)推廣，起到示范作用。2、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)；1）關(guān)鍵技術(shù)；利用 ansys熱學(xué)分析軟件建立氮化鋁陶瓷基板散熱模型熱學(xué)設(shè)計總原則是使芯片、器件、燈具結(jié)構(gòu)具有低熱阻和高效的散熱器使芯片上產(chǎn)生的熱量，能通暢地傳到散熱器上，并有效散發(fā)到環(huán)境中去。散熱能力的

12、強(qiáng)弱重要指標(biāo)就是熱阻。熱阻就是結(jié)構(gòu)對熱功率傳輸所產(chǎn)生的阻力。通常將兩個節(jié)點(diǎn)之間單位熱功率輸所產(chǎn)生的溫度差定義為該兩個節(jié)點(diǎn)間的熱阻，其公式如下：RT 為兩節(jié)點(diǎn)間的熱阻； T 為兩節(jié)點(diǎn)之間的溫度； PD 為兩個節(jié)點(diǎn)之間的熱功率流，熱阻單位為 /W為簡化評價方法，規(guī)定上式另一個參數(shù)Pd 為輸入到LED的總電功率而不考慮光輻射功率及其他耗散功率，即上式Pd 為輸入到LED 的總電功率，且僅考察芯片與外殼 ( 或主要散熱部分 ) 之間的熱阻。 為了便于與完整概念下的熱阻相區(qū)，此時的熱阻稱為參考熱阻。此時的熱阻稱為“ 參考熱阻”，用 R 表示?！皡⒖紵嶙琛?由于測量方便，復(fù)現(xiàn)性好，已越來越多地得到了應(yīng)用。

13、本文中的參考熱阻為多芯片的平均熱阻，平均熱阻通過根據(jù)器件的平均結(jié)溫( Tj) 和封裝內(nèi)的總功耗 ( Q) 來表示，即 :R=(Tj-Tx)/Ph利用有限元計算軟件ANSYS 對簡化后的3D 模型進(jìn)行計算， 代入上式求得各種封裝結(jié)構(gòu)的“ 參考熱阻”。各材料熱導(dǎo)率如下表所示。6表一 封裝材料熱導(dǎo)率圖三 氮化鋁（右）與鋁（左）基板熱學(xué)模擬對比控制技術(shù)本項目采用恒流驅(qū)動，本擬采用具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的供載電源對照明用多芯整體LED 燈進(jìn)行供電， AC220V 無需降壓直接整流濾波供電，無功損耗小，溫度低，可提高直流輸出的波形質(zhì)量與負(fù)載能力。本項目在控制加入可調(diào)電阻，實現(xiàn)LED 球泡燈的亮度隨意調(diào)節(jié)。重點(diǎn)解

14、決面光源技術(shù)中存在的重點(diǎn)問題，防止由于單科LED 損壞造成的產(chǎn)品失效，在封裝工藝中引入IC 芯片，在單科 LED 損壞的時候不會影響整燈的工作（本技術(shù)已經(jīng)申請專利） 。2）創(chuàng)新點(diǎn)1) 設(shè)計熱阻模型，利用 ANSYS 熱學(xué)軟件進(jìn)行模擬仿真我們利用有限元分析，通過增大絕緣層材料的熱導(dǎo)率及減小絕緣層厚度，對金屬7基板熱管理方案進(jìn)行優(yōu)化黑線為基板熱阻隨金屬基板的絕緣層熱導(dǎo)率增大( 取絕緣層厚度為 0 16mm)和隨絕緣層厚度減小所降低( 取絕緣層熱導(dǎo)為1 W/ ( m) )的曲線，同時加入氧化鋁陶瓷基板的熱阻值( 紅線 ) 以方便對比。圖四 金屬基板熱阻與絕緣層熱導(dǎo)率（左）以及絕緣層厚度的關(guān)系（右）關(guān)

15、系從上圖可以看出，隨著絕緣層熱導(dǎo)率的增大或絕緣層厚度的減小，金屬基板的參考熱阻呈遞減趨勢。若要使芯片到金屬基板的熱阻與芯片到陶瓷基板的熱阻相接近，則絕緣層的熱導(dǎo)率須增大至3 W/ ( m) 以上或絕緣層的厚度小于40m 。若利用涂覆絕緣漆來達(dá)到金屬基板表面的絕緣效果，減小絕緣層厚度一方面會影響絕緣效果，另一方面對絕緣漆的涂覆工藝也有更高的要求，同時絕緣漆的低熱導(dǎo)率( 目前多數(shù)絕緣漆熱導(dǎo)率不高于1 W/ ( m) ) 將直接限制整個金屬基板的散熱效果。因此，涂覆絕緣漆的金屬基板的COB 封裝散熱效果已趨于飽和，需通過其他表面絕緣工藝來降低總體熱阻。對于陶瓷基板來講，目前市面上用于LED 封裝的主

16、要有氧化鋁陶瓷和氮化鋁陶瓷 。利用有限元分析， 將陶瓷基板的熱導(dǎo)率從20 W/ ( m) 遞增至180 W/ ( m)( 氧化鋁到氮化鋁 ) ，可繪制出其熱阻隨基板熱導(dǎo)率變化的曲線，如圖6 所示。從中可見，陶瓷基板的熱阻隨陶瓷材料的熱導(dǎo)率的增大呈指數(shù)式下降。氮化鋁陶瓷基板的熱阻約為氧化鋁陶瓷基板的50% 。8圖五 陶瓷基板熱阻與熱導(dǎo)率（左）以及固晶膠熱導(dǎo)率（右）關(guān)系除了絕緣層 / 絕緣基板外，固晶膠也是影響散熱的一個重要因素。在這里，我們也通過有限元仿真， 分析了 LED 芯片到基板的熱阻隨固晶膠熱導(dǎo)率的變化關(guān)系。如圖 7所示，芯片到基板的熱阻隨封裝膠熱導(dǎo)率的增大先是急劇減小，然后趨于平緩?？?/p>

17、見COB 封裝散熱的瓶頸在于芯片和散熱基板間的固晶膠的低熱導(dǎo)率。傳統(tǒng)固晶膠的熱導(dǎo)率較低 ( 本文實驗所采用的固晶膠熱導(dǎo)率為0 2 W/ (m ) ，使用銀膠固晶 ( 熱導(dǎo)率為 2 25W/ (m ) 之后，整體熱阻能夠得到大幅降低。從圖7還可以看出，當(dāng)固晶膠熱導(dǎo)率達(dá)到2W/(m ) 之后，繼續(xù)增大固晶膠熱導(dǎo)率對降低熱阻的意義并不大，但使用不同基板材料的散熱效果卻差5 倍。因此，若要滿足大功率LED的散熱需要，氮化鋁陶瓷基板是首選，而固晶膠使用普通銀膠即可，不必使用高質(zhì)量、高熱導(dǎo)的銀膠，從而節(jié)約成本。但是從出光考慮，由于銀膠不透明，使用銀膠固晶時芯片的反射出光率會大大降低。因此，固晶膠的研發(fā)對大

18、功率LED 的發(fā)展也具有很重要的意義利用 ANSYS 有限元軟件建立 3D 散熱器模型，通過改變材料的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率等屬性，計算出最佳熱傳導(dǎo)的材料，通過改變材料的配方和合成比例，試驗生產(chǎn)出熱導(dǎo)率高的材料。通過改變材料的幾何形狀，計算出最佳的散熱尺寸。2)設(shè)計合理封裝結(jié)構(gòu)9首先對目前市面上的LED 面光源進(jìn)行研究，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)（圖七），設(shè)計封裝結(jié)構(gòu)模型，利用熱學(xué)分析軟件對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬分析，得出合理的、熱阻最小的封裝結(jié)構(gòu)。圖六 擬設(shè)計封裝結(jié)構(gòu)3、主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。技術(shù)指標(biāo)功耗： 6W10%；發(fā)光效率：大于100lm/W顯色指數(shù) (Ra)：大于 80色溫： 3000-7000K(白光 )壽

19、命： t20,000hrs驅(qū)動電源效率 : P 90%燈具的熱阻Rth 8/W正常點(diǎn)亮?xí)r結(jié)溫溫升 :T23三、研究試驗方法及技術(shù)路線（工藝路線）試驗方法：本項目采用由整體到個體，由簡單到復(fù)雜的實驗方法進(jìn)行研制。1）調(diào)研法。組織項目組成員做市場調(diào)研，調(diào)查中山等地區(qū)LED 面光源的基板、基板結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)。以解決散熱問題為中心，設(shè)計氮化鋁基板；102）實驗法。通過對面光源材料和工藝的不斷不斷試驗，調(diào)試出最合理的工藝和材料參數(shù)，同時進(jìn)行專家匯總，選出最優(yōu)方案；3)對比法，設(shè)計多種氮化鋁陶瓷基板面光源封裝工藝流程，對每種工藝做出的產(chǎn)品進(jìn)行光電色溫參數(shù)測量，并且對各種封裝方式進(jìn)行對比，找出最優(yōu)的封裝方式

20、。研究試驗方法調(diào)研法仿 真 法對比 法氮氮氮氮封化化面化面化鋁裝熱鋁光鋁光鋁基結(jié)阻陶源基源基板構(gòu)模瓷結(jié)板控板面仿型基構(gòu)結(jié)制熱光真設(shè)板設(shè)構(gòu)技學(xué)源設(shè)計性計設(shè)術(shù)仿設(shè)計能計真計圖七研究實驗方法工藝路線通過對 COB 制程的調(diào)整和對工藝參數(shù)的不斷試驗，調(diào)試出最合理的工藝和參數(shù)設(shè)置，同時進(jìn)行專家匯總，選出最優(yōu)方案。11基板設(shè)計擴(kuò) 片點(diǎn) 膠手工刺片勻膠金絲球焊烘烤固晶檢驗烘烤點(diǎn)粉烘烤測試圖八 本項目面光源工藝路線關(guān)鍵工藝說明a)氮化鋁陶瓷基板設(shè)計氮化鋁陶瓷是一種新型的電子陶瓷材料。由于具有熱導(dǎo)率高（可達(dá)190w/m. k），線膨脹系數(shù)與硅匹配，機(jī)械性能好，電性能優(yōu)良且無毒等綜合優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最理想的基板材料。氮化鋁基板應(yīng)用于LED 的散熱效益顯著，進(jìn)而大幅提升LED 的使用壽命。b)點(diǎn)膠在陶瓷基板的相應(yīng)位置點(diǎn)上封裝膠。 （對于 GaAs、SiC 導(dǎo)電襯底，具有背面電極的紅光、黃光、黃綠芯片，采用銀膠。對于藍(lán)寶石絕緣襯底的藍(lán)光、綠光led 芯片，采用絕緣膠來固定芯片。）工藝難點(diǎn)在于點(diǎn)膠量的控制，在膠體高度、點(diǎn)膠位置均