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LED 光源特点及其封装热特性

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LED 光源特点及其封装热特性
整理 / icesnow  (富士康科技集团 CMMSG 事业群 Server RD)
摘要:LED 被誉为21世纪新光源,有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。本文论述了LED 光源的特点及其几种封装形式的热特性。
关键词:LED 热设计 封装

LED 光源及其特点
LED(Light Emitting Diode)即发光二极管,当在半导体PN 结的两端加上电压时,电子开始移动和空穴(带正电的离子)结合,此时多余的能量将以光的形式释放出来,产生辐射光,从而把电能直接转换为光能。
LED 的应用可分为两大类:一是LED 单管应用,包括背光源LED,红外线LED 等;另外就是LED 显示屏。目前,中国在LED 基础材料制造方面与国际还存在着一定的差距,但就LED 显示屏而言,中国的设计和生产技术水平基本与国际同步。LED 显示屏是由发光二极管排列组成的显示器件。它采用低电压扫描驱动,具有耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等特点。
近几年,LED 的发光效率增长100倍,成本下降10倍,广泛用于大面积图文显示全彩屏,状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光源,汽车组合尾灯及车内照明等方面,其发展前景吸引全球照明大厂家都先后加入LED 光源及市场开发中。极具发展与应用前景的是白光LED,用作固体照明器件的经济性显著,且有利于环保,正逐步取代传统的白炽灯,世界年增长率在20%以上,美、日、欧及中国台湾省均推出了半导体照明计划。功率型LED 优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域,被学术界和产业界认为是LED 进入照明市场的必由之路。为替代荧光灯,白光LED 必须具有150~200 1m/W 的光效,且每lm 的价格应明显低于0.015$/lm(现价约 0.25$/lm,红光LED 为0.065$/lm),要实现这一目标仍有很多技术问题需要研究,但克服解决这些问题并不是十分遥远的事。按固体发光物理学原理,LED 的发光效率能近似100%,因此,LED 被誉为21世纪新光源,有望成为继白炽灯、
荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。
目前,比较成熟的商品化功率型LED 输入功率一般为1W,芯片面积1mm×1mm,其热流密度达到了100W cm2 。随着芯片技术的日益成熟,单个LED 芯片的输入功
率可以进一步提高到5W 甚至更高(10W),因此防止LED 的热量累积变得越来越重要。如果不能有效地耗散这些热量,随之而来的热效应将会变得非常明显。结温升高,直接减少芯片出射的光子,发光效率降低,在室温附近,温度每升高1℃,LED 的发光强度会相应地减少1%左右;温度升高会使得芯片的发射光谱发生红移,色温质量下降,尤其是对基于蓝光LED 激发黄色荧光粉的白光LED 器件更为严重,一般情况下,LED 的发光波长随温度变化为0.2~0.3nm/℃,光谱宽度随之增加,影响颜色鲜艳度;荧光粉的转换效率也会随着温度升高而降低。因此由于温度升高而产生的各种热效应会严重影响到LED 器件的使用寿命和可靠性,以往多采用减少其驱动电流的办法,降低结温,多数LED 的驱动电流限制在20mA 左右。但是,LED 的光输出会随电流的增大而增加,目前,很多功率型LED 的驱动电流可以达到70mA、100mA 甚至1A 级。为改善其热特性,需要全新的LED 封装设计理念和低热阻封装结构及技术。例如,采用大面积芯片倒装结构,选用导热性能好的银胶,增大金属支架的表面积,焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外,在应用设计中,PCB 线路板等的热设计、导热性能也十分重要。
图.1 LED 封装的发展
由于LED 内部热源温度(结温<120℃)远远低于灯丝或气体电弧,所以其辐射传热量很少。从表1 可以看出以导热方式传输的热量占LED 发热量90%,所以对于LED 的热设计可以通过建立其传热的等效电路,通过分析等效电路图,计算LED 内关注点的温升以及这些部位在达到热稳定时的温度。

引脚式封装LED
LED 引脚式封装(技术最为成熟的LED 封装形式)的基本结构如图2 所示。将LED 管芯粘结或烧结在引线架上,管芯的正极通过球形接触点与金丝键合为内引线热设计 https://www.resheji.com,热仿真 http://www.refangzhen.com
与一条管脚相连,负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连,其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光,向期望的方向角内发射。
表1 各光源效率、成本及传热方式对比

图2 功率LED 的封装结构
LED 芯片结的耗散功率为D P ,通过芯片热沉、封装树脂和金线引线框架电极的
热传导以及与外界环境的对流作用,散发到外界环境中,其中芯片热沉的传导散热起着决定性作用。所以对LED 模型进行简化,忽略引脚架到线路板以及通过封装树脂的热流,只考虑芯片经热沉到线路板的导热通路,则LED 的等效热阻网络可以简化为图3 所示。热设计 https://www.resheji.com
图3 LED 等效热阻网络(有外部散热器)

通过等效电路法,对于不同热传导结构,计算关注点的温度,可以提前判断热传导结构的优劣,并根据各部分热阻的大小判断结构的改进方向,对于指导和改进封装结构设计具有实际的意义。
LED 引脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚,是最先研发成功投放市场的封装结构,品种数量繁多,技术成熟度较高,封装内结构与反射层仍在不断改进。
标准LED 被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案。

表面贴装LED
表面贴装技术(surface mount technology SMT)是用自动组装设备将片式化、微型化的无引线、短引线表面贴装元器件(surface mount component SMC/surface mount device SMD)直接贴、焊到印刷电路板(print circuit board PCB)等布线基板表面特定位置的一种电子组装技术,是将分散的元器件集成为部件、组件的重要技术环节。
2002 年,表面贴装LED(SMD LED) 逐渐被市场接受,并获得一定的市场份额,从引脚式封装转向SMD 符合整个电子行业发展大趋势,近些年,SMD LED 成为一个发展热点,它很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题,采用更轻的PCB 板和反射层材料,在显示反射层需要填充的环氧树脂更少,并去除较重的碳钢材料引脚,通过缩小尺寸,降低重量,可轻易地将产品重量减轻一半,最终使应用更趋完美,尤其适合户内,半户外全彩显示屏应用。对于表面封装LED,焊盘是其散热的重要渠道,厂商提供的SMD LED 的数据都是以4.0×4.0mm 的焊盘为基础的,采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。目前,LED 表面贴装的形式有PLCC-2、热设计 https://www.resheji.com,PLCC-4(Plastic Leaded Chip Carrier 塑料有引线芯片载体)等,PLCC 封装具有外形尺寸小、可靠性高等优点。
功率型封装LEDLED 芯片及封装向大功率方向发展,在大电流下产生比Φ5mm LED 大10~20倍的光通量,必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题,因此,管壳及封装也是其关键技术,能承受数 W 功率的LED 封装已出现。5W 系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED 从2003 年初开始供货,白光LED 光输出达187 1m,光效44.3 1m/W ,开发出了可承受10W 功率的LED 大面积管;尺寸为2.5×2.5mm,可在5A 电流下工作,光输出达200 1m,作为固体照明光源有很大发展空间。
Lumileds 公司于1998 年推出的Luxeon 系列功率LED 是将A1GalnN 功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上,然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳中,键合引线进行封装。这种封装对于取光效率,散热性能,加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点:热阻低,一般仅为14℃/W,只有常规LED 的
1/10;可靠性高,封装内部填充稳定的柔性胶凝体,在-40~120℃ 范围,不会因温度骤变产生的内应力,使金丝与引线框架断开,并防止环氧树脂透镜变黄,引线框架也不会因氧化而玷污;反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。
另外,其输出光功率,外量子效率等性能优异,将LED 固体光源发展到一个新水平。
美国UOE 公司于2001年推出的Norlux 系列功率LED 的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合,底座直径31.75mm,发光区位于其中心部位,直径约(0.375×25.4)mm,可容纳40 只LED 管芯,铝板同时作为热沉。管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接,根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目,可组合封装的超高亮度的AlGaInN 和AlGaInP 管芯,其发射光分别为单色,彩色或合成的白色,最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。这种封装采用常规管芯高密度组合封装,取光效率高,热阻低,较好地保护管芯与键合引线,在大电流下有较高的光输出功率,也是一种有发展前景的LED 固体光源。
Lanina Ceramics 公司于2003 年推出采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷(LTCC-M)技术封装的大功率LED 阵列,有二种产品:一种为7 元LED 阵列,光通量为840lm,功率为21W。另一种是134 元LED 阵列,光通量为360lm,功率134W。由于LTCC-M 技术是将LED 芯片直接连接到密封阵列配置的封装盒上,因此工作温度可达250℃。热设计 https://www.resheji.com
松下公司于2003 年推出由64 只芯片组合封装的大功率白光LED,光通量可达120lm,采用散热性能优良的衬底,把这些芯片封装在2cm2 的面积中,其驱动电流可达8W,这种封装中每1W 输入功率其温升仅为1.2℃。
在应用中,可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB 板上,形成功率密度LED,PCB 板作为器件电极连接的布线之用,铝芯夹层则可作热沉使用,获得较高的发光通量和光电转换效率。此外,封装好的SMD LED 体积很小,可灵活地组合起来,构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。功率型LED 的热特性直接影响到LED 的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等,因此,对功率型LED 芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。
结束语
进入21 世纪后,LED 的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新,红、橙LED 光效已达到100 lm/W,绿LED 为50 1m/W,单只LED 的光通量也达到数十lm。
LED 芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式,在增加芯片的光输出方面,研发不仅仅限于改变材料内杂质数量,晶格缺陷和位错来提高内部效率,同时,如何改善管芯及封装内部结构,增强LED 内部产生光子出射的几率,提高光效,解决散热,取光和热沉优化设计,改进光学性能,加速表面贴装化SMD 进程更是产业界研发的主流方向。
【1】James Petroski,GELcore LLC Thermal Challenges In LED Cooling
【2】马泽涛 朱大庆 王晓军 一种高功率LED封装的热分析 半导体光电 V0I.27 No.1Feb.2006
【3】刘必成 LED 灯具的热传导计算模型
【4】LED封装结构及技术

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