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半导体照明封装的热量管理及失效分析研究

周龙早  
【摘要】: 随着发光效率的提高,大功率发光二极管LED(light-emitting diode)在通用照明领域的应用越来越多。对于大功率LED的正常使用和使用寿命来说,热量管理是关键问题。本文应用数值模拟方法和实验测试手段对大功率LED的热量管理进行了研究,同时,对LED的可靠性进行了实验研究和理论分析。 热阻是热量管理的关键参数,正确的热量管理方法是通过选择合适的封装材料和封装结构,使LED器件的封装热阻最小。固晶材料是最重要的LED器件封装材料之一,其热物理性能参数和几何尺寸对封装的总热阻具有较大的影响。由于金锡合金具有热导率高、熔点较高等特点,因此采用金锡共晶合金(80Au20Sn)作为LED固晶材料,可以大大减少芯片与散热基座之间的界面热阻。采用熔铸增韧法制备了金锡共晶箔带和预成型焊片,对其成分、性能和微观组织进行了测试,并对其在大功率LED封装中的应用进行了研究。分别采用80Au20Sn和Sn3.5Ag0.5Cu作为固晶接材料,将几种大功率LED芯片封装在不同的框架和支架上,分别建立了几种不同结构的LED的热模型,对其热阻进行了理论计算。结果表明对于相同的封装结构,Sn3.5Ag0.5Cu同晶的器件的封装热阻大于80Au20Sn固晶的器件的热阻。结温测试结果表明,在相同的封装结构和工作条件下,Sn3.5Ag0.5Cu固晶的芯片结温高于80Au20Sn固晶的芯片结温。 热量管理对于大功率LED的发光性能和使用寿命至关重要,因此设计人员在开发新产品的最初阶段就需要考虑其热问题。采用热模拟方法对大功率LED封装级和系统级的热量管理方案进行评估和优化设计,可以起到节约成本、加速开发周期等重要的作用。本文分别采用有限体积法和有限元法热模拟对大功率LED和多芯片模组从封装级到系统级的散热过程进行了研究。 对大功率发光二极管的散热路径及其相应的热阻进行了分析和计算。利用商业计算流体力学软件对大功率发光二极管进行热流分析及散热优化设计。理论计算结果表明,PN结到环境之间的总热阻为28.67℃/W;当LED耗散功率为1W、环境温度为25℃时,结温为53.67℃。模拟结果显示,在同样工作条件下,大功率发光二极管的结温为54.85℃,与理论计算结果相吻合。当散热而积达到一定值时,散热效果基本不变。因此,从降低产品成本出发,散热器的面积有一限值范围。当散热器的鳍片垂直向左时,空气流体流向上无阻碍,其散热效果最好,结温最低。 本文对带热管和翅片式外部散热器的大功率LED多芯片模组进行了三维稳态有限元模拟。通过有限元模拟,对散热器材料、结构参数,芯片排布形式和间距,硅基座厚度,固晶材料的种类和固晶层厚度等进行了优化设计。数值模拟结果表明,散热器热管的热导率的优化取值为5000 W/(m·K);环形芯片布局比方形芯片布局好;对于InGaN芯片采用0.27mm的硅基座最好;80Au20Sn是最好的芯片固晶材料,固晶层的最佳厚度为0.02mm;考虑到封装密度和芯片间的热耦合作用,芯片间距的最佳值取为1.5mm。传热模拟的结果表明,通过适当的封装结构设计和封装材料选择,在正常工作条件下,LED芯片的结温可以保持在一个理想的温度。 GaN基高亮度发光二极管在室温长时间工作或高温高湿老化后,芯片表面出现分层现象。分层发生在芯片和封装树脂之间,产生一个非常薄的芯片-空气-树脂间隙。大功率蓝光发光二极管在室温长时间工作或高温高湿老化后,芯片表面出现发黑现象。发黑通常在芯片的表面上产生,使得芯片表面被蒙上一层暗色物质。这一问题虽然不会给大功率发光二极管带来灾难性失效,却会严重地影响光线的透射,使光输出产生衰减,最终导致器件失效。 本文采用扫描电镜和X射线能谱分析仪对由于热过载引起的大功率发光二极管分层和发黑失效进行分析。结果表明,由于发光二级管的输入电流增大,芯片结温升高产生热过载引起芯片与环氧树脂透镜之间出现热应力失配,加之环氧树脂材料容易受潮膨胀而产生应力,最终导致发光二极管在芯片表面与环氧树脂的界面产生分层。与芯片表面接触的环氧树脂材料在高温的作用下产生老化,降解后的环氧树脂内部结构发生明显改变,形成C的单质及其氧化物沉积在芯片表面,这是芯片表面发黑的主要原因。


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