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大功率CSP白光LED倒装结构器件热拥堵效应的研究及结构优化

刘倩  
【摘要】:发光半导体(简称:LED)照明是一种典型的节能、环保的绿色照明光源。由于CSP封装器件出光面为五面光的体光源,且具有体积小、重量轻、色彩饱和度高、色域较宽、且高效低耗、寿命长、节能环保的特点。因此CSP-LED产品很快便应用于背光源和汽车前照灯光源的使用,这一变革使得汽车照明和液晶行业有了蓬勃的发展。但由于大功率LED芯片尺寸较小,发光光谱较窄,且不含红外波段,所以产生的热量基本不能通过热辐射的方式散发出去,因此相比于传统的卤素灯和氙气灯的局部热流密度较大,特别是对于由多个LED光源模块采用串联或并联的方式密集封装组成的集成光源,这样密集分布的设计要求,必然将会导致电路变得更加复杂而且热量堆积问题更为严重,进而会使芯片的光通量降低,发光颜色出现偏差,甚至造成电子元器件设备烧坏或老化,导致芯片使用寿命降低。因此,有效的热管理是提高LED性能的最有效的方法。本论文通过利用电致发光特性(EL),对大功率蓝光和CSP白光LED芯片器件结构进行热拥堵效应的研究与优化。首先,本论文对LED的特点、基本结构、工作原理进行了简短的介绍,阐明了结温升高对LED性能的一系列不利影响。同时介绍了LED的特性参数、热传递原理、散热理论和芯片的CSP封装结构。其次,本文通过改变铝基板上芯片的排布间距,使用电致发光特性(EL)研究了蓝光芯片和CSP-LED芯片器件的热拥堵效应。本文利用LED电致发光测试系统,对不同排布间距样品的EL光谱、流明效率、光通量、相关色温等光电性能,在变电流条件下进行了表征。结果显示:在小电流(20mA~400mA)下,随着注入电流的增大,不同排布间距的蓝、白光样品的光电性能都呈现出相同的变化规律,即即光通量、光功率呈线性增长,光效基本保持稳定;但蓝光LED发光效率和光通量低于白光芯片的性能。在大电流(1A~1.5A)下,随着排布间距减小,EL光谱积分强度降低,色温上升,红色比减少;排布间距为0.2mm的光通量衰减了84.58%,相比之下排布间距为3mm和5mm的光通量衰减明显减缓,分别为8.96%和3.58%,这些现象与禁带宽度、热应力、非辐射复合等因素有关。考虑到实际生产成本问题,排布间距为3mm时,有利于热量散出,进而提高LED光电性能特性以及它自身的使用寿命。本论文还对大功率CSP-LED芯片封装结构陶瓷板的面积大小对芯片热拥堵效应进行研究,并对荧光粉和陶瓷荧光片贴片封装的两种芯片的光电性能进行表征及结构优化。为了降低实验成本,缩短实验周期,用八芯片陶瓷做四颗芯片和用六芯片陶瓷做三颗芯片,对实验规律进行分析,以设计出合理陶瓷板大小及芯片间隙。实验的结果表明,当驱动电流达到单颗芯片0.5A时,八芯片和六芯片的CSP就自加热拥堵,电流越大堵住的光越多,当单颗芯片电流大于1A后,几乎光强不再增加;芯片四周围的白胶会影响蓝光进入空气的比例,因硅胶折射率与空气不同,八芯片的热平衡后光通量下降比四芯片的明显;当电流增大到1A以上的极端电流时,陶瓷荧光片对应芯片的光通量下降更明显,陶瓷荧光片的光效低于荧光粉,说明八芯片和六芯片存在的热拥堵效应更明显,同时陶瓷荧光片更容易引起热拥堵效应。这个实验结果可以为实际生产中产品的性能、材料的用量以及降低成本方面提供非常有意义的参考价值。综上所述,本文主要通过热特性测试实验对大功率CSP-LED器件的散热性能进行了研究,并对CSP-LED的热拥堵效应进行合理的优化。验证了提高大功率CSP-LED散热设计中的可靠性,优化了多芯大功率CSP-LED芯片合理间距及封装结构设计。本文所获得的实验结果对大功率CSP-LED的散热设计具有一定的指导意义。


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