大功率LED的散热封装

　　LightEmittingDiode (LED),是一种注入电致发光器件,以其耗电量少、光色纯、全固态、质量轻、体积小、环保等一系列的优点,成为21世纪最具发展前景的高技术产品之一。美国、欧盟、日本等国家纷纷出台计划,投入巨资加速其发展,以占领能源战略制高点。在中国,照明电能消耗约占全部电能消耗的12% ~15%,作为能源消耗的大户,中国必须尽快寻找可以替代传统光源的新一代节能环保光源。

　　大功率LED封装由于结构和工艺复杂,一直是近年来该领域的研究热点。在当前的技术水平下,大功率LED只能将约10% ~15%的输入功率转化为光能,而将其余85% ~90%转化为热能[1-2]。如果LED封装散热不良,会使芯片温度升高,引起应力分布不均、芯片发光效率降低、荧光粉转换效率下降等一系列后果,进而缩短LED的正常工作寿命[3]。近年来国际学术界普遍认为,提高封装散热能力是现阶段高功率LED亟待解决的关键技术之一[1, 4]。现有的LED封装结构大都存在着热沉多、总热阻大这样一些共性的问题,极大制约了其传热性能与散热效率的进一步提高。

　　针对上述问题,文中提出了一种LED封装模块,采用了磁控溅射工艺,将必不可少的接口电极热沉、绝缘层以薄膜形式直接制作在金属散热器上,通过减少内部沉和热阻达到降低总热阻的目的。

　　1　实验设备及方法

　　1. 1　LED薄膜封装结构与制备

　　实验中选用Lumileds公司出品,型号为LXHL-BW01的白光大功率LED。芯片功率为1. 2W,芯片面积为1 mm×1 mm,发光效率为15%。作者设计的LED薄膜型封装结构见图1。

　　在图1的金属散热器上依次制备绝缘膜与电极膜,将LED芯片倒装焊接在绝缘膜上。在这种LED薄膜封装模块中, LED产生的热量通过电极层、绝缘层、铝基板翅式散热器组成的散热通道释放[5]。

　　电极层和绝缘层薄膜在多靶磁控溅射台上采用常温溅射制备,靶材采用Cr、Cu、Ti、Ag以及Ni-Cu合金等,其中所用Ni-Cu合金层靶材按多种配比采用真空熔炼制得。实验本底压强为5×10-3Pa,氩气分压为5×10-1Pa,溅射功率密度须控制在20W·cm-2左右,靶基距为9 cm。

　　1.2　测试方法

　　通过金相显微镜和扫描电镜(型号为HITACHIS-570)观察电极层/绝缘层界面形貌,同时在SEM上进行EDX能谱和电子探针线成分分析;采用α台阶仪测量薄膜厚度。薄膜封装热阻采用动态电学法测量,该方法利用PN结正向压降与结温成线性关系的特性,测量电路原理见图2[6]。

　　2　薄膜封装的传热模型

　　薄膜封装的传热模型见式(1):

　　大功率LED散热封装结构的热阻Rθ表征了整体封装的散热能力。式中:TJ为芯片PN结的结温;TA为环境温度;PJ为芯片热功率; PT为耗散功率。在相同的环境温度和耗散功率下,热阻越小,芯片的结温升温越小,器件散热性能也就越好[7]。为研究该封装模块的散热性能,需要建立器件传热模型,以便分析大功率LED器件在工作时的温度场分布。