解决大功率LED散热问题的3 种封装结构及4种封装材料详解

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。

封装结构

为了解决大功率LED封装中的散热问题，国内外的业界人士开发了多种封装结构。

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，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。

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，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，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，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，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。

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，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，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。

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。

热界面材料

目前，LED封装常用的热界面材料有导热胶、导电银胶等。

(a)导热胶

常用导热胶的主要成分是环氧树脂，因而其导热系数较小，导热性能差，热阻大。为了提高其热导性能，通常在基体内部填充高导热系数材料如三氧化二铝、氮化硼、碳化硅等。导热胶具有绝缘、导热、防震、安装方便、工艺简单等优点，但其导热系数很低(一般低于1w/mk)，因而只能应用在对散热要求不高的LED封装器件上。

(b)导电银胶

导电银胶是GeAs、SiC导电衬底LED，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片LED封装点胶或备胶工序中关键的封装材料，具有固定粘结芯片、导电和导热、传热的作用，对LED器件的散热性、光反射性、VF特性等具有重要的影响。作为一种热界面材料，目前导电银胶在LED行业中得到广泛的应用。如此同时，部分学者对导电银胶在LED中的应用进行了相关研究。郝晓光从导电银胶的导电机理、LED封装用高可靠性导电银胶的性能指标、测试技术等方面的要求得出单组分无溶剂室温贮存散热型导电银浆是目前LED封装的发展方向，具有良好的前景。

基板材料

通过以上的分析，LED封装器件的某条散热途径是从LED芯片到键合层到内部热沉到散热基板最后到外部环境，可以看出散热基板对LED封装散热的重要性，因而散热基板必须具有以下特征：高导热性、绝缘性、稳定性、平整性和高强度。

(a)MCPCB

金属基印制板(MCPCB)是在原有的印制电路板粘结在导热系数较高的金属上(铜、铝等)，以达到提高电子器件的散热效果。MCPCB是连接内外散热通路的关键环节，它有以下功能：①LED芯片的散热通道;②LED芯片的电气连接;③LED芯片的物理支撑。

MCPCB的优点是成本比较低，能够大规模生产，但也存在一定的缺点：①导热系数低，MCPCB的热导率可达到1—2.2W/(m·K)。②MCPCB结构中的绝缘层厚度要适中，既不能太厚也不能太薄。绝缘层太厚增加了整个MCPCB的热阻影响散热效果;绝缘层太薄，如果施加在MCPCB上的电压过高会击穿绝缘层，导致短路。为了提高MCPCB的热导率，李华平等人通过系列实验，将20um到40um等离子微弧氧化(MAO)膜的工艺参数进行优化，将其热导率达到2.3 W/(m·K)，因而MAO—MCPCB基板的热阻更低(低于10K/W)，从而使得该类型的散热基板在LED行业甚至是普通照明行业中将大露头角。

(b)陶瓷基板

由陶瓷烧结而成的基板散热性佳、耐高温、耐潮湿、崩溃电压、击穿电压也较高，并且其热膨胀系数匹配性佳，有减少热应力及热形变的特点。因此，陶瓷有望成为今后大功率LED封装中的重要基板材料。目前最见用的陶瓷材料主要有氧化铝、氮化铝、氧化铍、碳化硅等。这些常用陶瓷材料的性能见下表。

从上表的数据可以看出，氮化铝、氧化铍、碳化硅这三种材料的导热性比较好，氧化铝的导热性较差，大约是氮化铝的七分之一。但在这三种高导热系数的材料中，BeO有毒性，若不慎将其吸人肺部会引起肺铍病，目前世界上已有部分国家开始禁用该材料;AlN虽然导热系数高，但是技术门槛相对较高，因此价格也比较高;纯的SiC并不是完全绝缘的，要使其完全绝缘必须添加少量的BeO等材料，并且烧制出的SiC介电常数比较高，并不适合做基板材料;Al2O3除了导热性较差之外，成本也比较高，但是其具有机械性能好，制作工艺成熟、成本低等优点。因而，在今后的研发和生产工作中，要想选择合适的陶瓷材料作为基板材料，应综合全面地考虑这四种材料的性质、成本等特性。

通过对大功率LED器件的热阻进行分析，并从封装结构和封装材料两个方面进行具体的探讨，得出如下结论：

1)在大功率LED封装器件中，要实现低热阻、散热快的目的，封装结构成为关键技术所在，努力寻找更优良的封装结构以提高LED封装器件的散热是今后的热点话题。

2)要解决大功率LED封装器件的散热问题，必须选择合适的封装材料(包括热界面材料和基板材料等)。在选择热界面材料及基板材料的过程中，应根据合适的场合选择合适的材料。一般大功率LED封装中使用较普遍的热界面材料是导电银胶，使用较普遍的基板是陶瓷基板。