解决大功率LED散热问题的3 种封装结构和4种封装材料

文章来源:恒光电器

发布时间:2015-10-29

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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(一般为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。

大功率LED封装散热分析

下图为LED封装结构图，由图分析出该封装散热途径如下：(1)LED芯片—封装透镜—外部环境(2)LED芯片—键合层—内部热沉—散热基板—外部环境(3)LED芯片—金线—电极—外部环境。由于封装体内部各材料的导热系数不同，因而大部分热量都是通过第二条散热途径传至外部环境。

LED封装器件的总热阻由各环节的热阻串联而成可表示为：

Rtotal=Rchip+Rchip-TIM+RTIM+RTIM-Cu+RCu+RCu-MCPCB+RMCPCB+RMCPCB-air

其中，Rchip为芯片热阻，Rchip-TIM为芯片与键合层之间的界面热阻，RTIM为键合层的热阻，RTIM-Cu为热界面材料与内部热沉之间的界面热阻，RCu为内部热沉的热阻，RCu-MCPCB为内部热沉与金属线踏板，RMCPCB为金属线踏板的热阻，RMCPCB-air为金属线踏板到空气的热阻。

通过上式分析可知LED封装器件的总热阻由多个热阻串联而成，大量研究表明Rchip-TIM+RTIM+RTIM-Cu占总热阻的绝大部分，是影响总热阻的关键因素，因而封装材料(尤其是热界面材料)的选择对总热阻的影响至关重要。此外，封装结构对大功率LED封装散热也有一定的影响。

影响大功率LED封装散热的主要因素

散热问题是大功率LED封装急需重点解决的难题，散热效果的优劣直接关系到LED路灯的寿命和出光效率。有效地解决大功率LED封装的散热问题，对提高大功率LED封装的可靠性和寿命具有重要作用。为了解决大功率LED封装中的散热问题最直接的方法莫过于选择合适的封装结构和封装材料来降低LED封装的内部热阻，确保热量由内向外快速散发。

2.1 封装结构

为了解决大功率LED封装中的散热问题，家用照明，国内外的业界人士开发了多种封装结构。

2.1.1 倒装芯片结构

对于传统的正装芯片，电极位于芯片的出光面，因而会遮挡部分出光，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，商业照明，同时衬底采用高导热系数的硅，大大提高了芯片的散热效果。

2.1.2 微喷结构

Sheng Liu 等人提出了一种微喷结构系统来解决了大功率LED的散热问题。在该密封系统中，3c认证，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， led亮化工程，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，商业照明灯具，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，再次流人微泵中开始新的循环。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，行业资讯，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增加了运行成本。

2.1.3 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，其工作原理如下图所示。

与其他大功率LED散热结构相比， led商业照明，热电制冷结构具有节能，小体积，易于与LED模块集成等优点。目前国内外已有部分学者对大功率LED模块上应用热电制冷结构进行了相关研究。田大垒等人将热电制冷结构应用在LED的散热系统上，并通过实验测试研究LED以及热电制冷器在不同电流下的冷却状况，并测出LED结温，结果表明，采用热电制冷结构的大功率LED陈列模块能够大大降低器件的工作温度，装修照明，与不采用该结构相比，基板温度能够降低36％以上，该数据表明将热电制冷结构用在大功率LE D模块上是一种很好的散热方式。

郑同场等人对采用热电制冷结构的50W大功率LED模组系统进行了散热模拟，LED模组系统结构如下图所示，结果表明在某种程度上采用热电制冷的LED模组系统能使LED结温降低并且使用多级半导体制冷对大功率LED模组进行散热有更广阔的研究价值。

Chun Kai Liu等人对大功率LED上采用热电制冷结构也进行了研究，结果表明采用热电制冷结构可以有效地将整个LED系统的热阻降低到0，此外该研究组的成员还对采用热电制冷的1W LED系统进行相关研究，研究结果表明LED系统中含有热电制冷系统结构的光效是没有热电制冷系统结构的1.3倍，可见热电制冷系统对LED的热阻及光效都有重要的影响。

2.2 封装材料

通过上式的分析可以看出界面热阻对大功率LED总热阻的影响很大，减少LED总热阻的要点在于如何减少界面热阻，因而选择合适的热界面材料与基板材料十分重要。

2.2.1 热界面材料

目前，LED球泡灯，LED封装常用的热界面材料有导热胶、导电银胶等。

(a)导热胶