摘要文章介紹了作者所在單位開(kāi)發(fā)的DCJG—S（疊層結(jié)構(gòu)

1、摘 要:文章介紹了作者所在單位開(kāi)發(fā)的DCJGS(疊層結(jié)構(gòu))技術(shù)在大功率LED封裝上的應(yīng)用.該技術(shù)解決了大功率LED固態(tài)照明熱處理方面的問(wèn)題大量熱量的疏導(dǎo),為固態(tài)照明的廣泛應(yīng)用提供了新的解決方案. 關(guān)鍵詞:LED照明;熱阻;固態(tài)照明; 1、LED固態(tài)照明簡(jiǎn)述 LED固態(tài)照明是繼白熾燈發(fā)明以來(lái)最重要的照明革命.由于半導(dǎo)體材料將電能直接轉(zhuǎn)化為光,所以 LED固態(tài)照明與傳統(tǒng)照明光源最大的不同在于它的光線不是由熱而發(fā)光,是真正意義上的綠色光源,具有壽命長(zhǎng)、能耗低、發(fā)光效率高、穩(wěn)定性好、無(wú)頻閃、無(wú)紅 外和紫外線輻射等優(yōu)點(diǎn),并且發(fā)出的光色度純. LED固態(tài)照明的研究領(lǐng)域包括七個(gè)方面:基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)、壽命

2、、量子效率、可靠性和可控性、降低成本.本文所介紹的主要著眼于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及多芯片封裝結(jié)構(gòu)的熱處理技術(shù). 2 LED固態(tài)照明的熱問(wèn)題及其影響 2.1 LED散熱問(wèn)題及其影響 為了適應(yīng)通用照明的需要,固態(tài)照明光源迫切需要解決單個(gè)芯片散熱問(wèn)題,以及多芯或多個(gè)LED燈管集成組成的散熱問(wèn)題,其熱聚效應(yīng)及熱阻過(guò)大,直接 導(dǎo)致LED結(jié)溫升高.據(jù)有關(guān)資料分析,大約70%的故障來(lái)自于LED的結(jié)溫過(guò)高,并且在負(fù)載為額定功率一半的情況下,溫度每升高20,故障率就上升1 倍. 2.2 LED熱的傳導(dǎo)和疏散 LED固態(tài)照明光源需要解決如下幾個(gè)環(huán)節(jié)的散熱問(wèn)題:芯片結(jié)到外延層;外延層到封裝基板;封裝基板到冷卻裝置.這三個(gè)環(huán)節(jié)

3、構(gòu)成固態(tài)照明光源熱傳導(dǎo) 的通道,熱傳導(dǎo)的通道上任何薄弱環(huán)節(jié)的失敗都會(huì)使LED光源毀于一旦.為了取得更好的導(dǎo)熱效果,在三個(gè)環(huán)節(jié)上都需要采用熱導(dǎo)系數(shù)高的材料.筆者重點(diǎn)論述熱 阻設(shè)計(jì)的第三個(gè)環(huán)節(jié),即封裝基板到冷卻裝置. 3 封裝基板到冷卻裝置 3.1 大功率LED固體照明開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 單芯片W級(jí)功率LED現(xiàn)已達(dá)到1W、3W和5W.然而上大功率LED的發(fā)熱量卻比小功率LED 高數(shù)十倍,而且溫升還會(huì)使發(fā)光效率大幅降低,即使封裝技術(shù)允許,熱量低于LED芯片的接合溫度卻有可能超過(guò)容許值.因此低功率多芯片式多個(gè)LED組合成 LED固體照明光源,在實(shí)際使用中更為普及,在散熱問(wèn)題上的處理相對(duì)較容易,例如松下公司推出的

4、64只芯片組封裝的大功率LED,日亞公司推出的多芯片組 合的LED固體照明光源,其光通量可達(dá)600Lm.當(dāng)輸出光通量為1000Lm時(shí),耗電量為30W,最大輸入功率為50W,發(fā)光效率達(dá)33Lm/W. 傳統(tǒng)的LED燈封裝結(jié)構(gòu),一般用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺(tái)上,由金絲線完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成,其熱阻 高達(dá)250300.對(duì)于功率型LED芯片,可采用低阻率、高導(dǎo)熱性的材料粘結(jié)芯片,在芯片下部加銅或鋁等金屬熱沉,并采用半封裝結(jié)構(gòu),加速散熱降低 熱阻. 3.2 疊層結(jié)構(gòu)LED固體照明設(shè)計(jì) 封裝基板散熱設(shè)計(jì),首先要通過(guò)提高材料熱導(dǎo)系數(shù),降低熱膨脹系數(shù)不匹配度來(lái)增強(qiáng)LED

5、熱處理性.其次要考慮散熱通道及散熱板的熱容量,散熱通道暢 通、散熱好、散熱板熱容量大、熱傳導(dǎo)性能好、熱阻小,LED結(jié)升溫就慢,對(duì)LED發(fā)光性能就有很好的保障,也就能實(shí)現(xiàn)多個(gè)LED集群式封裝. 疊層結(jié)構(gòu)(DCJG-S)LED固態(tài)照明設(shè)計(jì)如圖1所示. 雙面線路板兩端焊接有金屬散熱板,LED芯片直接焊裝在散熱金屬板上,再通過(guò)金絲焊線,連接另一端的金屬散熱板.金屬散熱板既是LED封裝基板,也是連接外部的冷卻裝置,LED供電通過(guò)雙面線路板傳至兩端金屬散熱板. 把該種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián),就可實(shí)現(xiàn)多個(gè)或集群式LED封裝,從而達(dá)到W級(jí)LED固態(tài)照明目的.該種設(shè)計(jì)也可將封裝好的貼片發(fā)光二極管兩極焊接在兩端散熱板

6、上,如圖2所示. 散熱板為一環(huán)狀金屬散熱筒,中間為一個(gè)環(huán)形的雙層線板,LED芯片直接焊裝在環(huán)狀金屬散熱筒上,其熱傳導(dǎo)功能與圖1原理一樣,通過(guò)串聯(lián),實(shí)現(xiàn)集群式LED環(huán)狀360發(fā)光面. 圖1、圖2與傳統(tǒng)的固態(tài)照明光源的散熱通道相比,減少了散熱環(huán)節(jié).由于芯片直接焊裝在金屬基板上,散熱效率更高,芯片到金屬散熱板減少了封裝基板環(huán)節(jié),同時(shí)根據(jù)LED芯片的功率,可加大或縮小散熱板的寬度和厚度,使熱參數(shù)匹配. 3.3 疊層結(jié)構(gòu)熱處理設(shè)計(jì) LED發(fā)光芯片內(nèi)部的熱處理設(shè)計(jì)固然非常重要,但集群LED固態(tài)照明散熱裝置也極為重要.以下是散熱設(shè)計(jì)的基本公式: Tr散熱器=(125-安全溫度閥值-環(huán)境溫度) /功率-Tr發(fā)光LED-Tr界面 式中:125結(jié)溫的典型值; 安全溫度閥值一般來(lái)說(shuō)取10; Tr發(fā)光LEDLED封裝結(jié)構(gòu)自身的熱阻; Tr界面LED封裝結(jié)構(gòu)與散熱器之間的界面熱阻. 由基本公式得知,疊層結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)LED照明設(shè)計(jì),Tr界面熱阻值小,Tr值就越大,Tr散熱器就越小.同時(shí)Tr散熱器根據(jù)散熱板尺寸的大小,設(shè)計(jì)有較大的余量. 另外,降低界面熱阻也需要增加界面的平整度,使用導(dǎo)熱性