大功率LED的散熱封裝

LED,封裝,熱分析,ANSYS

王耀明,王德苗,蘇　達(dá)(浙江大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江杭州310027)

摘　要:如何提高大功率LED的散熱性能,是LED器件封裝及其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。提出了一種LED薄膜集成封裝結(jié)構(gòu),利用磁控濺射技術(shù)制備了實(shí)驗(yàn)樣品,依據(jù)動(dòng)態(tài)電學(xué)法,采用金相顯微鏡和掃描電鏡對(duì)樣品的熱阻和膜層性能進(jìn)行了測(cè)試,通過(guò)對(duì)傳熱模型的仿真以及實(shí)驗(yàn),分析了樣品的散熱性能。與現(xiàn)有的PCB封裝結(jié)構(gòu)相比,薄膜封裝結(jié)構(gòu)的散熱性能遠(yuǎn)優(yōu)于PCB結(jié)構(gòu),而且薄膜封裝結(jié)構(gòu)的工藝簡(jiǎn)單、成本低廉,適合于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn),具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞: 大功率LED,薄膜封裝,熱分析,ANSYS軟件
中圖分類號(hào): TN 312. 8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1671 - 7147 (2009) 01 - 0058 - 04

Thermal Design of High Power LED

 (WANG Yao ming, 　WANG De miao)(College of Information Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract: The issue of heat2release ha s become the bigge st obstacle to the industrializa tion of high-power LED. To solve the se p roblems, the p roposes a new thin2film packaging p roduced by magnetron sputtering for high powe r LED. The the rma l performance is demonstrated through simulation of the heat transfer mode l and experiments. Compared with the current packaging, the results show that both the internal and total the rma l re sistances are much sma ller. Because of the simp le p roce ss and low co st, the structure ismo re app licable than othe rme thods.
Key words: high power LED, thin film packaging, heatmanagement, ANSYS

　　Light Emitting D iode (LED) ,是一種注入電致發(fā)光器件,以其耗電量少、光色純、全固態(tài)、質(zhì)量輕、體積小、環(huán)保等一系列的優(yōu)點(diǎn),成為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)產(chǎn)品之一。美國(guó)、歐盟、日本等國(guó)家紛紛出臺(tái)計(jì)劃,投入巨資加速其發(fā)展,以占領(lǐng)能源戰(zhàn)略制高點(diǎn)。在中國(guó),照明電能消耗約占全部電能消耗的12 % ～15 % ,作為能源消耗的大戶,中國(guó)必須盡快尋找可以替代傳統(tǒng)光源的新一代節(jié)能環(huán)保光源。
大功率LED封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜,一直是近年來(lái)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在當(dāng)前的技術(shù)水平下,大功率LED只能將約10 % ～ 15 %的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能,而將其余85 % ～90 %轉(zhuǎn)化為熱能 。
如果LED封裝散熱不良,會(huì)使芯片溫度升高,引起應(yīng)力分布不均、芯片發(fā)光效率降低、熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降等一系列后果,進(jìn)而縮短LED的正常工作壽命 。近年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為,提高封裝散熱能力是現(xiàn)階段高功率LED亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一 。現(xiàn)有的LED封裝結(jié)構(gòu)大都存在著熱沉多、總熱阻大這樣一些共性的問(wèn)題,極大制約了其傳熱性能與散熱效率的進(jìn)一步提高。
針對(duì)上述問(wèn)題,文中提出了一種LED封裝模塊,采用了磁控濺射工藝,將必不可少的接口電極熱沉、絕緣層以薄膜形式直接制作在金屬散熱器上,通過(guò)減少內(nèi)部沉和熱阻達(dá)到降低總熱阻的目的。

.......

5　結(jié)　語(yǔ)
針對(duì)目前主流散熱封裝技術(shù)所存在的問(wèn)題,提出了一種采用磁控濺射技術(shù)制備的大功率LED的薄膜封裝結(jié)構(gòu)。通過(guò)ANSYS仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)薄膜封裝結(jié)構(gòu)和PCB封裝結(jié)構(gòu)在散熱性能上進(jìn)行分析與比較,顯示出該薄膜結(jié)構(gòu)相對(duì)PCB封裝結(jié)構(gòu)而言,有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
1) 采用磁控濺射技術(shù)制備的薄膜封裝結(jié)構(gòu),膜層致密,機(jī)械咬合性能好,工藝簡(jiǎn)單;
2) 薄膜封裝結(jié)構(gòu)散熱性能遠(yuǎn)優(yōu)于PCB結(jié)構(gòu);
3) 在環(huán)境溫度為40 ℃高溫時(shí),薄膜封裝結(jié)構(gòu)仍然可以保證LED器件工作在低于90 ℃的安全溫度下,適用于多芯片陣列式的白光照明系統(tǒng)。
文中提出的LED薄膜封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、性能可靠, 成為未來(lái)照明的最佳選擇之一, 給以后的LED封裝形式提供了一種借鑒與參考。

參考文獻(xiàn)(References) :
[ 1 ] L IN Yuan2chang,Nguyen Tran, ZHOU Yan, et al. Materials challenges and solutions for the packaging of high powerLEDs[C ] ∥2006 InternationalMicrosystems, Packing, Assembly Conference Taiwan. Taibei: 2006: 124.
[ 2 ]吳慧穎,錢可元,胡飛,等. 倒裝大功率白光LED熱場(chǎng)分析與測(cè)試[ J ]. 光電子·激光, 2005, 16 (5) : 5112514. WU Hui2ying, Q IAN Ke2yuan , HU Fei, et al. Study on thermal performances of flip2chip high2powerwhite LEDs[ J ]. Journal of Op toelectronics·Laser, 2005, 16 (5) : 5112514. ( in Chinese)
[ 3 ]錢可元,鄭代順,羅毅. GaN基功率型LED芯片散熱性能測(cè)試與分析[ J ]. 半導(dǎo)體光電, 2006, 27 (3) : 2362239.Q IAN Ke2yuan, ZHENG Dai2shun, LUO Yi. Thermal dispersion of GaN2based power LEDs [ J ]. Semiconductor Op toelectronics, 2006, 27 (3) : 2362239. ( in Chinese)
[ 4 ]李炳乾. 1W級(jí)大功率白光LED 發(fā)光效率研究[ J ]. 半導(dǎo)體光電, 2005, 26 (4) : 3142316.L IBing2qian. Lumen efficiency of 1W2level high powerwhite LED[ J ]. SemiconductorOp toelectronics, 2005, 26 (4) : 3142316.
( in Chinese)
[ 5 ]蘇達(dá),王德苗. 大功率LED封裝散熱技術(shù)研究[ J ]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2007, 32 (9) : 7422744.SU Da, WANG De2miao. Technical research on heat2release package of high2power LEDs [ J ]. Semiconductor Technology,熱設(shè)計(jì) http://www.0532yewu.com 2007, 32 (9) : 7422744. ( in Chinese)
[ 6 ]馬春雷,鮑超. 一種高功率LED熱阻的測(cè)試方法[ J ]. 光學(xué)儀器, 2005, 27 (2) : 13217.MA Chun2lei, BAO Chao. A novelmeasuringmethod of thermal resistance for high power LED [ J ]. Op tical Instruments, 2005,
27 (2) : 13217. ( in Chinese)
[ 7 ]余彬海,王垚浩. 結(jié)溫與熱阻制約大功率LED發(fā)展[ J ]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2006, 26 (6) : 7612766.YU Bin2hai,WANG Yao2hao. Junction temperature and thermal resistance restrict the develop ing of high2power LED [ J ].
Chinese Journal of Lumine Science, 2006, 26 (6) : 7612766. ( in Chinese)
[ 8 ]朱伯芳. 有限單元法原理與應(yīng)用[M ]. 北京:中國(guó)水利水電出版社, 1998: 2912293.

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