基于陶瓷基板led面光源研究

1、LED光源有點(diǎn)光源和面光源之分，LED點(diǎn)光源屬于傳統(tǒng)封裝形式,廣泛應(yīng)用于各個(gè)相關(guān)的領(lǐng)域,經(jīng)過近四十年的發(fā)展,已形成一系列的主流產(chǎn)品形式。LED的面光源屬于個(gè)性化封裝形式,主要為一些個(gè)性化案例的應(yīng)用產(chǎn)品而設(shè)計(jì)和生產(chǎn),目前還沒有形成主流產(chǎn)品形式但將會(huì)是未來幾年的發(fā)展趨勢。隨著LED芯片功率的不斷提高，大功率 LED 所面臨的散熱問題也越發(fā)嚴(yán)重。與白熾燈、鹵鎢燈不同的是溫度升高非但不會(huì)增加效率，結(jié)溫上升會(huì)大幅度下降效率，更高的結(jié)溫更會(huì)使器件光輸出明顯隨時(shí)間衰減，而使壽命降低。這樣就會(huì)喪失LED壽命長、效率高的優(yōu)點(diǎn)。由于芯片結(jié)溫的高低直接影響到LED出光效率、色度漂離和器件壽命等參數(shù)，如何提高封裝器件

2、散熱能力、降低芯片溫度成為大功率LED結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。采用面光源技術(shù)，可以較好解決散熱難題。與直插式和SMD 封裝技術(shù)相比，面光源封裝不僅能夠節(jié)約空間、簡化封裝作業(yè)，而且還能通過基板直接散熱，從而具有更高效的熱管理方式。此外，面光源封裝不需要回流焊，從而可以避免高溫對(duì)芯片造成傷害; 同時(shí)，由于工藝簡單，也降低了成本。本項(xiàng)目采用氮化鋁基板，研制高效低熱阻LED面光源，并完成基于低熱阻LED面光源的新型燈具的產(chǎn)業(yè)化。通過軟件分析，進(jìn)行與氮化鋁材料相匹配的封裝膠的選擇，同時(shí)對(duì)氮化鋁基板模型設(shè)計(jì)，完成氮化鋁LED面光源封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后試制出低熱阻LED面光源。將若干顆大功率藍(lán)光LE

3、D芯片固定在氮化鋁基板上，通過對(duì)氮化鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燈具設(shè)計(jì)等方面的研究，試制出高性能的LED面光源燈具，并且直接可應(yīng)用于LED吸頂燈、LED球泡燈、LED路燈、LED礦燈、LED無影燈等，產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。目前，淮安主要LED燈具生產(chǎn)企業(yè)有淮安市祥光電子電器有限公司、淮安麒麟電子有限公司等，企業(yè)的產(chǎn)品均存在不同程度的散熱難題，因此，通過本項(xiàng)目的研究，解決企業(yè)產(chǎn)品散熱問題，試制低熱阻LED面光源，替換原來燈具產(chǎn)品中的點(diǎn)光源，提高燈具產(chǎn)品性能與壽命。意義在成本上，與點(diǎn)光源燈具相比，面光源模塊在照明應(yīng)用中可以節(jié)省器件封裝成本、光引擎模組制作成本和二次配光成本。在相同功能的照明燈具

4、系統(tǒng)中，總體可以降低30%左右的成本，這對(duì)于半導(dǎo)體照明的應(yīng)用推廣有著十分重大的意義。在性能上,通過合理地設(shè)計(jì)和模造微透鏡,面光源模塊可以有效地避免點(diǎn)光源器件組合存在的點(diǎn)光、眩光等弊端,還可以通過加入適當(dāng)?shù)募t色芯片組合,在不降低光源效率和壽命的前提下,有效地提高光源的顯色性(目前已經(jīng)可以做到90以上)。在應(yīng)用上,面光源模塊可以使照明燈具廠的安裝生產(chǎn)更簡單和方便。在生產(chǎn)上,現(xiàn)有的工藝技術(shù)和設(shè)備完全可以支持高良品率的面光源模塊的大規(guī)模制造。隨著面光源照明市場的拓展,燈具需求量在快速增長,我們完全可以根據(jù)不同燈具應(yīng)用的需求,逐步形成系列面光源模塊主流產(chǎn)品,以便大規(guī)模生產(chǎn)。傳統(tǒng)的LED分立光源器件難以適

5、應(yīng)照明領(lǐng)域?qū)π阅?、成本、?yīng)用配合和使用習(xí)慣的要求面光源模塊將成為今后LED光源照明應(yīng)用的主要封裝形式。我們半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)界應(yīng)當(dāng)調(diào)整發(fā)展思路,做出相應(yīng)的變革。研究不同照明應(yīng)用的共性特點(diǎn)和系統(tǒng)的解決方案,形成若干種面光源模塊主流產(chǎn)品形式并加以推廣應(yīng)用。5）項(xiàng)目組擁有LED面光源方面專利2項(xiàng)，分別是自檢測自修正可維修多芯LED模組、光源可替換式LED手電筒。本項(xiàng)目研究國內(nèi)外競爭情況及產(chǎn)業(yè)化前景。1）國際上LED面光源燈具性能優(yōu)，價(jià)格高。東芝照明于2011年9月30日發(fā)布的LED燈泡“8.7W普通燈泡型”相當(dāng)于60W白熾燈泡，日光色產(chǎn)品的總光通量為810lm、發(fā)光效率達(dá)到了93lm/W。為此，該產(chǎn)品采

6、用了并排安裝100余個(gè)數(shù)十mW等級(jí)小型LED的面光源結(jié)構(gòu)大型封裝。德國歐司朗公司與西門子公司合作開發(fā)面光源照明系統(tǒng)。采用面光源制作的LED燈具,外觀好,參數(shù)準(zhǔn)確，充分發(fā)揮出LED耗電量低、電壓低、體積小、使用壽命長、高亮度低熱量、無眩光、無輻射、抗震抗沖擊性良好的優(yōu)點(diǎn),不產(chǎn)生有害物質(zhì),非常的環(huán)保節(jié)能。國外產(chǎn)品具有高效、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其價(jià)格高等問題，目前市場占有率較少。2)、國內(nèi)低端產(chǎn)品較多，價(jià)格便宜。國內(nèi)LED面光源主要集中在中山等地，面光源散熱問題比較嚴(yán)重，性能一般，壽命較低，價(jià)格較低。很多廠家還在爭搶商業(yè)照明和工程照明，還沒真正涉及家用市場，LED家用LED照明市場目前處于發(fā)芽階段

7、，所以我們進(jìn)行低熱阻LED面光源的研究，燈具的產(chǎn)品主要定位在家用LED燈具上，如球泡燈、吸頂燈等，這有利于我們進(jìn)入國內(nèi)較高端市場。3)、省內(nèi)LED面光源照明產(chǎn)品主要集中在揚(yáng)州、鎮(zhèn)江等地。對(duì)于家用市場來講，輔助燈具（射燈、筒燈）產(chǎn)品實(shí)際上占總體家用燈具份額比重很少，而吸頂燈、球泡燈等幾乎是每個(gè)城鎮(zhèn)家庭必不可少的，所以省內(nèi)對(duì)LED面光源燈具的需求將是非常大的。 4)、本市目前能夠自主研發(fā)基于面光源技術(shù)的LED燈具的單位非常少。所以我們利用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，以及淮安祥光電子電器有限公司合作開發(fā)基于低熱阻LED面光源技術(shù)的研究與開發(fā)，并推向市場，給人們帶來淮安企業(yè)研發(fā)的高效節(jié)能低成本LED燈具產(chǎn)品。與此同時(shí)

8、，政府對(duì)此大力支持，也刺激了老百姓對(duì)LED的實(shí)際需求欲望，所以不久以后LED照明將成為未來最大的照明市場，所以本項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化前景非常光明。二、項(xiàng)目內(nèi)容1、主要研究內(nèi)容： 1）利用有限元仿真軟件對(duì)面光源封裝的熱管理方案進(jìn)行了優(yōu)化分析通過對(duì)LED面光源封裝中常用的陶瓷基板和金屬基板這兩類不同的基板材料進(jìn)行有限元熱仿真模擬，獲得各自芯片到基板的仿真熱阻，再使用紅外熱成像儀得到兩種基板各自的表面溫度分布情況并計(jì)算出實(shí)際熱阻。仿真熱阻與實(shí)際熱阻的一致性表明了所采用的仿真計(jì)算方法的可用性 。利用有限元仿真對(duì)面光源封裝的熱管理方案進(jìn)行了優(yōu)化分析。研究表明: 相對(duì)于金屬基板，陶瓷基板由于無絕緣層這一散熱瓶頸，

9、其芯片到 基板的熱阻值約為金屬基板封裝方案的 1/2 ; 而且陶瓷基板有著更大的熱管理優(yōu)化空間，能更好地滿足大功率 LED 封裝的散熱需要。2）設(shè)計(jì)不同封裝結(jié)構(gòu)模型，利用ansys軟件進(jìn)行熱學(xué)分析圖一 面光源結(jié)構(gòu)1（左）以及熱阻模型（右）LED芯片用粘結(jié)膠粘合至線路板上，芯片電極直接焊接在線路板銅箔上，芯片頂部涂覆熒光粉，外部采用硅膠封裝，線路板層通過粘結(jié)隔離層粘結(jié)材料與鋁基板連接，鋁基板涂覆導(dǎo)熱硅脂，最終與鋁制散熱器結(jié)合。結(jié)構(gòu)示意圖見上圖。 圖二 面光源結(jié)構(gòu)2（左）以及熱阻模型（右）面光源結(jié)構(gòu)2封裝則在陶瓷基板上開槽，將LED芯片置于槽內(nèi)。在垂直熱通道上，芯片穿過銅箔、粘結(jié)隔離層，直接通過粘

10、結(jié)膠焊接至鋁基板。3）研究面光源控制電路本項(xiàng)目采用恒流驅(qū)動(dòng)，本擬采用具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的供載電源對(duì)照明用多芯整體LED燈進(jìn)行供電，AC220V無需降壓直接整流濾波供電，無功損耗小，溫度低，可提高直流輸出的波形質(zhì)量與負(fù)載能力。本項(xiàng)目在控制加入可調(diào)電阻，實(shí)現(xiàn)LED球泡燈的亮度隨意調(diào)節(jié)。重點(diǎn)解決面光源技術(shù)中存在的重點(diǎn)問題，防止由于單科LED損壞造成的產(chǎn)品失效，在封裝工藝中引入IC芯片，在單科LED損壞的時(shí)候不會(huì)影響整燈的工作（本技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)專利）。4）培訓(xùn)基于低熱阻LED面光源的封裝技術(shù)人員針對(duì)面光源封裝技術(shù)人員缺乏，充分利用現(xiàn)有設(shè)備設(shè)施開展技術(shù)培訓(xùn)，培養(yǎng)了大批學(xué)技術(shù)、懂技術(shù)、用技術(shù)的新型封裝技術(shù)人員

11、。5）基于低熱阻LED面光源技術(shù)新型燈具標(biāo)準(zhǔn)的制定制定適合各類燈具應(yīng)用的面光源技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，撰寫標(biāo)準(zhǔn)文稿，以便于更高的進(jìn)行技術(shù)推廣，起到示范作用。2、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)；1）關(guān)鍵技術(shù)；利用ansys熱學(xué)分析軟件建立氮化鋁陶瓷基板散熱模型熱學(xué)設(shè)計(jì)總原則是使芯片、器件、燈具結(jié)構(gòu)具有低熱阻和高效的散熱器使芯片上產(chǎn)生的熱量，能通暢地傳到散熱器上，并有效散發(fā)到環(huán)境中去。散熱能力的強(qiáng)弱重要指標(biāo)就是熱阻。熱阻就是結(jié)構(gòu)對(duì)熱功率傳輸所產(chǎn)生的阻力。通常將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間單位熱功率輸所產(chǎn)生的溫度差定義為該兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的熱阻，其公式如下：RT為兩節(jié)點(diǎn)間的熱阻； T為兩節(jié)點(diǎn)之間的溫度；PD為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的熱功率流，熱阻單位為/W為

12、簡化評(píng)價(jià)方法，規(guī)定上式另一個(gè)參數(shù) Pd為輸入到 LED 的總電功率而不考慮光輻射功率及其他耗散功率，即上式 Pd為輸入到 LED的總電功率，且僅考察芯片與外殼( 或主要散熱部分) 之間的熱阻。為了便于與完整概念下的熱阻相區(qū)，此時(shí)的熱阻稱為參考熱阻。此時(shí)的熱阻稱為 “參考熱阻”，用 R '表示。“參考熱阻”由于測量方便，復(fù)現(xiàn)性好，已越來越多地得到了應(yīng)用。本文中的參考熱阻為多芯片的平均熱阻，平均熱阻通過根據(jù)器件的平均結(jié)溫( Tj) 和封裝內(nèi)的總功耗( Q) 來表示，即: R=(Tj-Tx)/Ph利用有限元計(jì)算軟件 ANSYS 對(duì)簡化后的 3D 模型進(jìn)行計(jì)算，代入上式求得各種封裝結(jié)構(gòu)的“參考

13、熱阻”。各材料熱導(dǎo)率如下表所示。表一 封裝材料熱導(dǎo)率 圖三 氮化鋁（右）與鋁（左）基板熱學(xué)模擬對(duì)比控制技術(shù)本項(xiàng)目采用恒流驅(qū)動(dòng)，本擬采用具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的供載電源對(duì)照明用多芯整體LED燈進(jìn)行供電，AC220V無需降壓直接整流濾波供電，無功損耗小，溫度低，可提高直流輸出的波形質(zhì)量與負(fù)載能力。本項(xiàng)目在控制加入可調(diào)電阻，實(shí)現(xiàn)LED球泡燈的亮度隨意調(diào)節(jié)。重點(diǎn)解決面光源技術(shù)中存在的重點(diǎn)問題，防止由于單科LED損壞造成的產(chǎn)品失效，在封裝工藝中引入IC芯片，在單科LED損壞的時(shí)候不會(huì)影響整燈的工作（本技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)專利）。2）創(chuàng)新點(diǎn)1) 設(shè)計(jì)熱阻模型，利用ANSYS熱學(xué)軟件進(jìn)行模擬仿真我們利用有限元分析，通過增

14、大絕緣層材料的熱導(dǎo)率及減小絕緣層厚度，對(duì)金屬基板熱管理方案進(jìn)行優(yōu)化黑線為基板熱阻隨金屬基板的絕緣層熱導(dǎo)率增大( 取絕緣層厚度為0 16 mm) 和隨絕緣層厚度減小所降低( 取絕緣層熱導(dǎo)為 1 W/ ( m · ) ) 的曲線，同時(shí)加入氧化鋁陶瓷基板的熱阻值( 紅線) 以方便對(duì)比。圖四 金屬基板熱阻與絕緣層熱導(dǎo)率（左）以及絕緣層厚度的關(guān)系（右）關(guān)系從上圖可以看出，隨著絕緣層熱導(dǎo)率的增大或絕緣層厚度的減小，金屬基板的參考熱阻呈遞減趨勢。若要使芯片到金屬基板的熱阻與芯片到陶瓷基板的熱阻相接近，則絕緣層的熱導(dǎo)率須增大至 3 W/ ( m · ) 以上或絕緣層的厚度小于 40m 。若

15、利用涂覆絕緣漆來達(dá)到金屬基板表面的絕緣效果，減小絕緣層厚度一方面會(huì)影響絕緣效果，另一方面對(duì)絕緣漆的涂覆工藝也有更高的要求，同時(shí)絕緣漆的低熱導(dǎo)率( 目前多數(shù)絕緣漆熱導(dǎo)率不高于 1 W/ ( m · ) ) 將直接限制整個(gè)金屬基板的散熱效果 。因此，涂覆絕緣漆的金屬基板的 COB 封裝散熱效果已趨于飽和，需通過其他表面絕緣工藝來降低總體熱阻。對(duì)于陶瓷基板來講，目前市面上用于 LED 封裝的主要有氧化鋁陶瓷和氮化鋁陶瓷 。利用有限元分析，將陶瓷基板的熱導(dǎo)率從 20 W/ ( m· ) 遞增至 180 W/ ( m· ) ( 氧化鋁到氮化鋁) ，可繪制出其熱阻隨基板熱導(dǎo)率

16、變化的曲線，如圖 6 所示。從中可見，陶瓷基板的熱阻隨陶瓷材料的熱導(dǎo)率的增大呈指數(shù)式下降。氮化鋁陶瓷基板的熱阻約為氧化鋁陶瓷基板的 50% 。圖五 陶瓷基板熱阻與熱導(dǎo)率（左）以及固晶膠熱導(dǎo)率（右）關(guān)系除了絕緣層/ 絕緣基板外，固晶膠也是影響散熱的一個(gè)重要因素。在這里，我們也通過有限元仿真，分析了 LED 芯片到基板的熱阻隨固晶膠熱導(dǎo)率的變化關(guān)系。如圖 7 所示，芯片到基板的熱阻隨封裝膠熱導(dǎo)率的增大先是急劇減小，然后趨于平緩?？梢?COB 封裝散熱的瓶頸在于芯片和散熱基板間的固晶膠的低熱導(dǎo)率。傳統(tǒng)固晶膠的熱導(dǎo)率較低( 本文實(shí)驗(yàn)所采用的固晶膠熱導(dǎo)率為0 2 W/ (m ·) ) ，使用銀

17、膠固晶( 熱導(dǎo)率為 2 25W/ (m ·) ) 之后，整體熱阻能夠得到大幅降低。從圖 7 還可以看出，當(dāng)固晶膠熱導(dǎo)率達(dá)到 2 W/(m ·) 之后，繼續(xù)增大固晶膠熱導(dǎo)率對(duì)降低熱阻的意義并不大，但使用不同基板材料的散熱效果卻差 5 倍。因此，若要滿足大功率 LED 的散熱需要，氮化鋁陶瓷基板是首選，而固晶膠使用普通銀膠即可，不必使用高質(zhì)量、高熱導(dǎo)的銀膠，從而節(jié)約成本。但是從出光考慮，由于銀膠不透 明，使用銀膠固晶時(shí)芯片的反射出光率會(huì)大大降低。因此，固晶膠的研發(fā)對(duì)大功率 LED 的發(fā)展也具有很重要的意義利用ANSYS有限元軟件建立3D散熱器模型，通過改變材料的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率等

18、屬性，計(jì)算出最佳熱傳導(dǎo)的材料，通過改變材料的配方和合成比例，試驗(yàn)生產(chǎn)出熱導(dǎo)率高的材料。通過改變材料的幾何形狀，計(jì)算出最佳的散熱尺寸。2)設(shè)計(jì)合理封裝結(jié)構(gòu)首先對(duì)目前市面上的LED面光源進(jìn)行研究，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)（圖七），設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)模型，利用熱學(xué)分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬分析，得出合理的、熱阻最小的封裝結(jié)構(gòu)。圖六 擬設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)3、主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。技術(shù)指標(biāo)功耗：6W±10%；發(fā)光效率：大于100lm/W顯色指數(shù)(Ra)：大于80色溫：3000-7000K(白光)壽命：t>20,000hrs驅(qū)動(dòng)電源效率: P90%燈具的熱阻 Rth 8/W正常點(diǎn)亮?xí)r結(jié)溫溫升:T23三、研究試驗(yàn)

19、方法及技術(shù)路線（工藝路線）試驗(yàn)方法：本項(xiàng)目采用由整體到個(gè)體，由簡單到復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研制。1）調(diào)研法。組織項(xiàng)目組成員做市場調(diào)研，調(diào)查中山等地區(qū)LED面光源的基板、基板結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)。以解決散熱問題為中心，設(shè)計(jì)氮化鋁基板；2）實(shí)驗(yàn)法。通過對(duì)面光源材料和工藝的不斷不斷試驗(yàn)，調(diào)試出最合理的工藝和材料參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行專家匯總，選出最優(yōu)方案；3)對(duì)比法，設(shè)計(jì)多種氮化鋁陶瓷基板面光源封裝工藝流程，對(duì)每種工藝做出的產(chǎn)品進(jìn)行光電色溫參數(shù)測量，并且對(duì)各種封裝方式進(jìn)行對(duì)比，找出最優(yōu)的封裝方式。圖七 研究實(shí)驗(yàn)方法工藝路線通過對(duì)COB制程的調(diào)整和對(duì)工藝參數(shù)的不斷試驗(yàn)，調(diào)試出最合理的工藝和參數(shù)設(shè)置，同時(shí)進(jìn)行專家匯總，選

20、出最優(yōu)方案。圖八 本項(xiàng)目面光源工藝路線  關(guān)鍵工藝說明 a)氮化鋁陶瓷基板設(shè)計(jì)氮化鋁陶瓷是一種新型的電子陶瓷材料。由于具有熱導(dǎo)率高（可達(dá)190w/m. k），線膨脹系數(shù)與硅匹配，機(jī)械性能好，電性能優(yōu)良且無毒等綜合優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最理想的基板材料。氮化鋁基板應(yīng)用于LED的散熱效益顯著，進(jìn)而大幅提升LED的使用壽命。 b)點(diǎn)膠在陶瓷基板的相應(yīng)位置點(diǎn)上封裝膠。（對(duì)于GaAs、SiC導(dǎo)電襯底，具有背面電極的紅光、黃光、黃綠芯片，采用銀膠。對(duì)于藍(lán)寶石絕緣襯底的藍(lán)光、綠光led芯片，采用絕緣膠來固定芯片。）工藝難點(diǎn)在于點(diǎn)膠量的控制，在膠體高度、點(diǎn)膠位置均有詳細(xì)的工藝要求。由于銀膠和絕緣膠在貯存和使用均有嚴(yán)格的要求，銀膠的醒料、攪拌、使用