半導(dǎo)體照明封裝的熱量管理及失效分析研究.pdf

1、隨著發(fā)光效率的提高，大功率發(fā)光二極管LED（light-emitting diode）在通用照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。對(duì)于大功率LED的正常使用和使用壽命來說，熱量管理是關(guān)鍵問題。本文應(yīng)用數(shù)值模擬方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段對(duì)大功率LED的熱量管理進(jìn)行了研究，同時(shí)，對(duì)LED的可靠性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。
　　 熱阻是熱量管理的關(guān)鍵參數(shù)，正確的熱量管理方法是通過選擇合適的封裝材料和封裝結(jié)構(gòu)，使LED 器件的封裝熱阻最小。固晶材料是最重要的

2、LED 器件封裝材料之一，其熱物理性能參數(shù)和幾何尺寸對(duì)封裝的總熱阻具有較大的影響。由于金錫合金具有熱導(dǎo)率高、熔點(diǎn)較高等特點(diǎn)，因此采用金錫共晶合金（80Au20Sn）作為L(zhǎng)ED固晶材料，可以大大減少芯片與散熱基座之間的界面熱阻。采用熔鑄增韌法制備了金錫共晶箔帶和預(yù)成型焊片，對(duì)其成分、性能和微觀組織進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)其在大功率LED 封裝中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。分別采用80Au20Sn和Sn3.5Ag0.5Cu 作為固晶接材料，將幾種大功率LED

3、 芯片封裝在不同的框架和支架上，分別建立了幾種不同結(jié)構(gòu)的LED的熱模型，對(duì)其熱阻進(jìn)行了理論計(jì)算。結(jié)果表明對(duì)于相同的封裝結(jié)構(gòu)，Sn3.5Ag0.5Cu 固晶的器件的封裝熱阻大于80Au20Sn 固晶的器件的熱阻。結(jié)溫測(cè)試結(jié)果表明，在相同的封裝結(jié)構(gòu)和工作條件下，Sn3.5Ag0.5Cu 固晶的芯片結(jié)溫高于80Au20Sn 固晶的芯片結(jié)溫。
　　 熱量管理對(duì)于大功率LED的發(fā)光性能和使用壽命至關(guān)重要，因此設(shè)計(jì)人員在開發(fā)新產(chǎn)品的最初階段

4、就需要考慮其熱問題。采用熱模擬方法對(duì)大功率LED 封裝級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的熱量管理方案進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以起到節(jié)約成本、加速開發(fā)周期等重要的作用。本文分別采用有限體積法和有限元法熱模擬對(duì)大功率LED和多芯片模組從封裝級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的散熱過程進(jìn)行了研究。
　　 對(duì)大功率發(fā)光二極管的散熱路徑及其相應(yīng)的熱阻進(jìn)行了分析和計(jì)算。利用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)大功率發(fā)光二極管進(jìn)行熱流分析及散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。理論計(jì)算結(jié)果表明，PN 結(jié)到環(huán)境之間的總熱阻為28

5、.67?C/W；當(dāng)LED 耗散功率為1W、環(huán)境溫度為25?C 時(shí)，結(jié)溫為53.67?C。模擬結(jié)果顯示，在同樣工作條件下，大功率發(fā)光二極管的結(jié)溫為54.85?C，與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。當(dāng)散熱面積達(dá)到一定值時(shí)，散熱效果基本不變。因此，從降低產(chǎn)品成本出發(fā)，散熱器的面積有一限值范圍。當(dāng)散熱器的鰭片垂直向左時(shí)，空氣流體流向上無阻礙，其散熱效果最好，結(jié)溫最低。
　　 本文對(duì)帶熱管和翅片式外部散熱器的大功率LED多芯片模組進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)有限元

6、模擬。通過有限元模擬，對(duì)散熱器材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)，芯片排布形式和間距，硅基座厚度，固晶材料的種類和固晶層厚度等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，散熱器熱管的熱導(dǎo)率的優(yōu)化取值為5000 W/(m·K)；環(huán)形芯片布局比方形芯片布局好；
　　 對(duì)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，固晶層的最佳厚度為0.02mm；考慮到封裝密度和芯片間的熱耦合作用，芯片間距的最佳值取為1.5mm。傳熱模擬的

7、結(jié)果表明，通過適當(dāng)?shù)姆庋b結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和封裝材料選擇，在正常工作條件下，LED 芯片的結(jié)溫可以保持在一個(gè)理想的溫度。
　　 GaN基高亮度發(fā)光二極管在室溫長(zhǎng)時(shí)間工作或高溫高濕老化后，芯片表面出現(xiàn)分層現(xiàn)象。分層發(fā)生在芯片和封裝樹脂之間，產(chǎn)生一個(gè)非常薄的芯片-空氣-樹脂間隙。
　　 大功率藍(lán)光發(fā)光二極管在室溫長(zhǎng)時(shí)間工作或高溫高濕老化后，芯片表面出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象。發(fā)黑通常在芯片的表面上產(chǎn)生，使得芯片表面被蒙上一層暗色物質(zhì)。這一問題雖然不

8、會(huì)給大功率發(fā)光二極管帶來災(zāi)難性失效，卻會(huì)嚴(yán)重地影響光線的透射，使光輸出產(chǎn)生衰減，最終導(dǎo)致器件失效。
　　 本文采用掃描電鏡和X射線能譜分析儀對(duì)由于熱過載引起的大功率發(fā)光二極管分層和發(fā)黑失效進(jìn)行分析。結(jié)果表明，由于發(fā)光二級(jí)管的輸入電流增大，芯片結(jié)溫升高產(chǎn)生熱過載引起芯片與環(huán)氧樹脂透鏡之間出現(xiàn)熱應(yīng)力失配，加之環(huán)氧樹脂材料容易受潮膨脹而產(chǎn)生應(yīng)力，最終導(dǎo)致發(fā)光二極管在芯片表面與環(huán)氧樹脂的界面產(chǎn)生分層。與芯片表面接觸的環(huán)氧樹脂材料在高溫的