大功率led技术分析

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1、大功率大功率 LEDLED 技术分析技术分析本文由 jeffon2011 贡献doc 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。封装和散热技术分析 大功率 LED 封装和散热技术分析“High-power LED technology of manufacturing and cooling“= 郑小平 jeffonfoxmail.ComShenzhen Akent Electronics Co.,LTD Deputy General Manager ZhengXiaoPing 摘 要：大功率 LED 灯具产业是新型产业， 大家都期待 LED 能够进入

2、照明市场。 LED 灯具的主要难点是大功率 LED 封装技术提升， 重要难点是散热问题的解决。 特别是大功率 LED 的封装工艺和散热技术的提升决定在新能源行 业的先期地位。 本文结合行业的最新资讯和行业标准及其本人的经验总结， 简单介绍了大功率 LED 封装技术及 其发展和大功率 LED 散热技术分析。关 键 词：大功率 LED 光通量 封装工艺 LED 结温 结温 Tj 计算 散热处理前言：LED 灯具产业是近 來被认为最有潜 的产业之一， 大家都期待 LED 能够进入照明市场， 成为新照明光源， 成为最有希望的潜在市场。LED 体积小、效 高、 反应时间快、 产品寿命较其它光源长、含对环

3、境有害的汞， 这些都是优点。 近年来，大功率 LED 发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单颗功 率为 100W 的超大功率白光 LED。与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。例如，Edison 公司前几年的 20W 白光 LED， 其光通量为 700lm， 发光效率为 35lm/W。 2007 年开发的 100W 白光 LED， 其光通量为 6000lm， 发光效率为 60lm/W。又例如，LumiLED 公司最近开发的 K2 白光 LED，与其、系列同类产品比较如表 1 所示。从表中可以看出：K2 白光 LED 在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较

4、大的改进。Cree 公司新 推出的 X-Lamp XRE 冷白光 LED，其最高亮度挡 QS 在 350mA 时光通量可达 107114lm。这些性能良好的大 功率 LED 给开发 LED 白光照明灯具创造了条件。 前几年，各种白光 LED 照明灯具主要是采用小功率 5 白光 LED 来做的。如 15W 的灯泡、1520W 的灯管 及 4060W 的路灯、投射灯等。这些灯具使用了几十到几百个 5 白光 LED，生产工艺复杂、可靠性差、故障 率高、外壳尺寸大，并且亮度不足。为改进上述缺点，这几年逐步采用大功率白光 LED 来替代 5 白光 LED 来设计新型灯具。例如，用 18 个 2W 的白光

5、 LED 做成的街灯，若采用 5 白光 LED 则要几百个。另外，用一 个 1.25W 的 K2 系列白光 LED，可做成光通量为 65lm 的强光手电筒，照射距离可达几十米。若采用 5 白光 LED 来做则是不可能的。 LED 灯具的主要难点是大功率 LED 封装技术提升，大功率 LED 封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到 LED 的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点，特别是大功率白光 LED 封装更是研究热点中的热点。 但 LED 灯具的重要难点是散热问题的解决，这会 低 LED 发光效 ，尤其大功率 LED 灯具急待解决的。 LED 的主要失效形式之一是热失效，随着温度的升高，不但

6、 LED 的失效率大大增加而且 LED 光衰加剧、寿 命缩短，因此散热设计是 LED 灯具结构设计中不可忽略的一个环节。大功率 LED 灯具的外壳防护等级一般都 在 IP65 以上，热量不能通过空气对流的方式发散到灯具外部。所以利用良好的导热途径将 LED 的热量传到灯 具外壳，选择合适的导热材料等灯具散热方面的设计直接决定了产品的性能。 下面对大功率 LED 灯具从两个方面进行分析：封装技术与散热技术。一、大功率 LED 封装技术及其发展：LED 封装的功能主要包括：1.机械保护，以提高可靠性；2.加强散热，以降低芯片结温，提高 LED 性能；3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布；4.供

7、电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。 LED 封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电和机械特性、具体应用和成本等因素决定。 经过近十几年的发展， 特别是对大功率 LED 封装的光学、 热学、 电学和机械结构等提出了更新的和更高的要求。 为了有效地降低封装热阻，提高出光效率，必须采用全新的技术思路来进行封装设计。 大功率 LED 封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，如图 1 所示。这些因素彼此既相互独立，又相互 影响。其中，LED 的封装：光是目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从 工艺兼容性及降低生产成本而言，LED 封装设计应与芯片设

8、计同时进行，即芯片设计时就应该考虑到封装结构 和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于封装的需要对芯片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工 艺成本，有时甚至不可能。图 1：大功率 LED 封装技术 具体而言，大功率 LED 封装的关键技术包括： 1低热阻封装工艺 对于现有的 LED 光效水平而言，由于输入电能的 80左右转变成为热量，且 LED 芯片面积小，因此，芯 片散热是 LED 封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择基板材料、热界面材料与工艺、热 沉设计等。 LED 封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片 产生的热量，

9、 并传导到热沉上， 实现与外界的热交换。 常用的散热基板材料包括硅、 （如铝， 、 （如， 金属 铜） 陶瓷 AlN，SiC）和复合材料等。如 Nichia 公司的第三代 LED 采用 CuW 做衬底，将 1mm 芯片倒装在 CuW 衬底上， 降低了封装热阻，提高了发光功率和效率；Lamina Ceramics 公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图 2（a） ， 并开发了相应的 LED 封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率 LED 芯片和相应的陶瓷基板，然后将 LED 芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路， 不仅结构简单，而且由于

10、材料热导率高，热界面少，大大提高了散热性能，为大功率 LED 阵列封装提出了解决 方案。德国 Curmilk 公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板（AlN 或）和导电层（Cu）在高温高压下烧 结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强，如图 2（b）所示。其中氮化铝（AlN）的热 导率为 160W/mk，热膨胀系数为（与硅的热膨胀系数相当） ，从而降低了封装热应力。图 2：封装热应力 研究表明，封装界面对热阻影响也很大，如果不能正确处理界面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下 接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙， 基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。 改善 LED

11、 封装的关 键在于减少界面和界面接触热阻，增强散热。因此，芯片和散热基板间的热界面材料（TIM）选择十分重要。 LED 封装常用的 TIM 为导电胶和导热胶，由于热导率较低，一般为 0.5-2.5W/mK，致使界面热阻很高。而采用 低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料，可大大降低界面热阻。 2高聚光率封装结构与工艺 在 LED 使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：芯片内部结构缺 陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起 的全反射损失。因此，很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片

12、表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶 层(灌封胶)，由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。此外， 灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率 高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高 LED 封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐 老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力 小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在大功率 LED 封装中得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高 硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子

13、效率，但硅胶性能受环境温度影响较大。 随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响 LED 光效和光强分布。 荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性（热 和化学）等，其中，发光效率和转换效率是关键。研究表明，随着温度上升，荧光粉量子效率降低，出光减少， 辐射波长也会发生变化，从而引起白光 LED 色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。原因在于 荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易发生温度猝 灭和老化， 使发光效率降低。 此外， 高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存

14、在问题。由于常用荧光粉尺寸在 1um 以上，折射率大于或等于 1.85，而硅胶折射率一般在 1.5 左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒 尺寸远大于光散射极限（30nm） ，因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳 米荧光粉，可使折射率提高到 1.8 以上，降低光散射，提高 LED 出光效率（10-20） ，并能有效改善光色质 量。 传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形 状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。而 LumiLEDs 公司开发的保形涂层 （Conformal coati

15、ng）技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图 3（b） 。但研究表明，当荧光 粉直接涂覆在芯片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国 RenssELaer 研究所提出了一 种光子散射萃取工艺（Scattered Photon Extraction method，SPE)，通过在芯片表面布置一个聚焦透镜，并将含 荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60） ，如图 3(c)。图 3：大功率 LED 封装结构 总体而言，为提高 LED 的出光效率和可靠性，封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋 势， 通过将荧光粉内掺

16、或外涂于玻璃表面， 不仅提高了荧光粉的均匀度， 而且提高了封装效率。 此外， 减少 LED 出光方向的光学界面数，也是提高出光效率的有效措施。 3阵列封装与系统集成技术 经过近几十年的发展，LED 封装技术和结构先后经历了四个阶段，如图 4 所示。图 4：LED 封装技术和结构发展二、大功率 LED 散热技术分析如果大功率 LED 在正常发光状态其热能无法导出，将影响 LED 发光效 。70%的 LED 会因为过高的接面温 而产生故障：LED 的产品生命周期、 、产品稳定性等都会随接面温 提高而衰竭。当 LED 热源无法有效导 出，将导致 LED 接面温 (Junction Temperature)升高，随之影响到的将是光的输出效 衰减。如图 5 所示， 接面温 与发光效 之关系随着 LED 晶 的提升， 单颗 LED 的功耗瓦数亦从 0.1W 提高至 1W、 及 5W 以 3W 上，那么 LED 封装模块的热阻抗(Thermal Resistance)由 250 至 350K/W 大幅 低至现在的小于 5K/W 以下。 由于这样的技术发