從封裝結構到封裝材料詮釋陶瓷線路板

作者:百方網 日期:2021-10-22 12:07:57 人氣: 欄目:電工入門

LED因其高亮度、低熱量、長壽命、無毒、可回收再利用等優點,被稱為21世紀最有發展前景的綠色照明光源。統計表明:如果中國50%的光源換用LED,將可實現年節電2100億千瓦時,相當于再建2.5座三峽工程。同時,其在壽命、應用靈活性等方面也具有不可比擬的優勢,將成為未來照明的必定發展方向。

LED的發光原理是直接將電能轉換為光能,其電光轉換效率大約為20%—30%,光熱轉換效率大約為70%—80%。隨著芯片尺寸的減小以及功率的大幅度提高,導致LED結溫居高不下,引起了光強降低、光譜偏移、色溫升高、熱應力增高、元器件加速老化等一系列問題,大大降低了LED的使用壽命。結溫也是衡量LED封裝散熱性能的一個重要技術指標,當結溫上升超過最大允許溫度時(150℃),大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED封裝設備中,散熱是限制其發展的瓶頸,也是必須解決的關鍵問題。

目前全球LED產業解決散熱問題無非從三個方面提升,一個是封裝結構,一個是封裝材料,還有就是散熱基板。只有把熱量散發出去才能解決根本問題。

目前應用在散熱的封裝結構主要有三種:

一、倒裝芯片結構

傳統的正裝芯片,電極位于芯片的出光面,所以會遮擋部分出光,降低芯片的出光效率。同時,這種結構的PN結產生的熱量通過藍寶石襯底導出去,藍寶石的導熱系數較低且傳熱路徑長,因而這種結構的芯片熱阻大,熱量不易散發出去。從光學角度和熱學角度來考慮,這種結構存在一些不足。為了克服正裝芯片的不足,2001年Lumileds Lighting公司研制了倒裝結構芯片。該種結構的芯片,光從頂部的藍寶石取出,消除了電極和引線的遮光,提高了出光效率,同時襯底采用高導熱系數的陶瓷線路板,大大提高了芯片的散熱效果。

二、微噴結構

在該封裝系統中,流體腔體中的流體在一定的壓力作用下在系列微噴口處形成強烈的射流,該射流直接沖擊LED芯片基板下表面并帶走LED芯片產生的熱量,在微泵的作用下,被加熱的流體進入小型流體腔體向外界環境釋放熱量,使自身溫度下降,再次流入微泵中開始新的循環。類似于電腦主板的水冷散熱,這種微噴結構具有散熱效高、LED芯片基板的溫度分布均勻等優點,但微泵的可靠性和穩定性對系統的影響很大,同時該系統結構比較復雜運行成本較高。

三、熱電制冷結構

熱電制冷器是一種半導體器件,其PN結由兩種不同的傳導材料構成,一種攜帶正電荷,另一種攜帶負電荷,當電流通過結點時,兩種電荷離開結區,同時帶有熱量,以達到制冷的目的。類似于空調制冷原理。但是技術尚不成熟,無法批量應用。

從上述可以看出,LED總體散熱效果與各界面之間的散熱有很大關系,那么完全可以降低某界面熱阻來提升散熱效果。封裝材料就算其一。封裝材料主要就是基板和膠水。目前,LED封裝膠水常用的有導熱膠、導電銀膠還有最新的熒光陶瓷膠。

一、導熱膠

常用導熱膠的主要成分是環氧樹脂,因而其導熱系數較小,導熱性能差,熱阻大。為了提高其熱導性能,通常在基體內部填充高導熱系數材料如三氧化二鋁、氮化硼、碳化硅等。導熱膠具有絕緣、導熱、防震、安裝方便、工藝簡單等優點,但其導熱系數很低(一般低于1w/mk),因而只能應用在對散熱要求不高的LED封裝器件上。如果LED功率過大,導熱系數就跟不上需求,同樣會產生大量結溫。

二、導電銀膠

導電銀膠是GeAs、SiC導電襯底LED,具有背面電極的紅光、黃光、黃綠芯片LED封裝點膠或備膠工序中關鍵的封裝材料,具有固定粘結芯片、導電和導熱、傳熱的作用,對LED器件的散熱性、光反射性、VF特性等具有重要的影響。但是技術不是很成熟,成本價格較高,并未普及。

四、熒光陶瓷膠

具有光學質量最好、性能最高、高硬度、耐腐蝕、耐高溫等特點。屬于新型技術,比傳統導電膠好很多,但是還處于實驗階段,尚未成型。

通過以上的分析,可以看出,真正的散熱界面材料基本都還在研制當中,應用還需要一定的時日。LED封裝器件的某條散熱途徑是從LED芯片到鍵合層到內部熱沉到散熱基板最后到外部環境,可以看出散熱基板對LED封裝散熱的重要性,因而散熱基板必須具有以下特征:高導熱性、絕緣性、穩定性、平整性和高強度。

一、金屬基板

金屬基板是在原有的印制電路板粘結在導熱系數較高的金屬上(銅、鋁等),以達到提高電子器件的散熱效果。是連接內外散熱通路的關鍵環節,金屬基板的優點是成本比較低,能夠大規模生產,但也存在一定的缺點:①導熱系數低,MCPCB的熱導率可達到1—2.2W/(m·K)。②金屬基板結構中的絕緣層厚度要適中,既不能太厚也不能太薄。絕緣層太厚增加了整個金屬基板的熱阻影響散熱效果;絕緣層太薄,如果施加在金屬基板上的電壓過高會擊穿絕緣層,導致短路。

二、陶瓷基板

由陶瓷燒結而成的基板散熱性佳、耐高溫、耐潮濕、崩潰電壓、擊穿電壓也較高,并且其熱膨脹系數匹配性佳,有減少熱應力及熱形變的特點。因此,陶瓷基板成為大功率LED封裝中的重要基板材料。目前最見用的陶瓷材料主要有氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹、碳化硅等。

從封裝結構到封裝材料詮釋陶瓷線路板

結論:

1)在大功率LED封裝器件中,要實現低熱阻、散熱快的目的,封裝材料成為關鍵技術所在,努力尋找更優良的封裝材料以提高LED封裝器件的散熱是今后的熱點話題。

2)要解決大功率LED封裝器件的散熱問題,必須選擇合適的封裝材料(包括熱界面材料和基板材料等)。在選擇熱界面材料及基板材料的過程中,應根據合適的場合選擇合適的材料。一般大功率LED封裝中使用較普遍的熱界面材料是導電銀膠,使用較普遍的基板是陶瓷線路板。

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