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探索LED新型導熱技術

放大字體  縮小字體 發布日期:2014-05-04  瀏覽次數:3276   狀態:狀態
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展會說明
 ---深圳大學光電工程學院  柴廣躍
 
LED在發光的過程中,會產生大量的熱量,這些熱量如果不能及時的加以排除,就會出現失效的現象,嚴重者還會直接對LED造成損害。所以,LED要大規模推廣,首先必須要解決散熱的難題。
LED產生熱量的原因:
A、晶格振動產生熱量。晶格失配、雜質等缺陷產生大量的非輻射復合中心,內量子效率不會達到100%,非輻射復合中心將注入的載流子能量通過晶格振動而產生大量的熱。
B、LED芯片折射率高于空氣,極大限制了從有源區發出的光向LED芯片外部的導出,返回芯片內部的光被芯片材料吸收,通過晶格振動的方式產生熱。
C、歐姆接觸產生的焦耳熱,LED芯片各層材料的體電阻、LED芯片電極層與半導體層間的接觸電阻、LED芯片電極與焊料間的接觸電阻、焊料間的體電阻焊料與熱沉的接觸電阻等,上述電阻相互疊加構成LED元件的串聯電阻,當電流流過P—N結時,同時也會流過這些電阻,從而產生焦耳熱,導致LED結溫升高。
 
 
 
 
 
QQ截圖20140504150946

目前常用的幾種封裝基板散熱能力比較:
①、金屬支架管殼:
該種方式材料采用金屬支架、鎢銅、鉬銅及其它模料,固晶材料為環氧樹脂類,該方式具有加工簡單、價格便宜等優點。不足之處在于易產生“爆米花效應”、如果模料過厚,可靠性好但散熱性差,如果模料過薄,又導致散熱性好但牢度差、模料耐紫外,潮濕,高低溫能力差;金絲跨反光杯,貼片速度較低……
②、陶瓷管殼:
該種方式具有與LED芯片熱應力匹配、AlN熱導系數較高、精度高,適合批量生產、金絲在反光杯內部,可靠性高等優點,缺點在于LTCC--Al2O3需要熱阱、AlN材料成本高、Al2O3 熱導系數較低、高溫燒結耗能……
③、金屬導熱PCB基板:
該種方式由銅箔電路/陶瓷粉末和高分子材料/鋁基板組成,其中陶瓷粉末和高分子材料是其主要組成部分,陶瓷粉末扮演的是絕緣導熱的角色,高分子扮演的是可靠度以及把電路層、散熱的絕緣層和鋁板三個結合在一起的一個很重要的角色。
優點在于:成本低、易于批量生產、易于加工、特別適合MCM-COB。
缺點在于:高分子材料的可靠性很難把握、減小熱阻(增加陶瓷粉的比重)抗剝強度降低、高分子絕緣層不可很薄(一般大于60mm~90 mm)、高低溫下的穩定性差。
④、深圳大學MCPCB基板:
該技術采用鋁/氧化鋁(AlN、金剛石混合物)/鈀銀(銅金)等物質作為基體材料,以微弧氧化/硬質氧化、物理噴涂、激光熔覆為主要方式,AlxOy/Al約20mm,熱阻≈5 K/W,金屬化層鈀銀20mm,單顆、MCM白光LED封裝。MCPCB雖然比FR4 PCB散熱效果更佳,但MCPCB的介電層卻沒有太好的熱傳導率,大體與FR4 PCB相同,僅0.3W/m.K,成為散熱塊與金屬核心板間的傳導瓶頸。
⑤、碳復合材料:
氣相生長碳纖維(VGCF)方式:在載有鐵鎳催化劑的陶瓷基板上通入氫氣和烴類氣體混合物,在1100℃下生成纖維狀碳;2600 ℃熱處理;預計室溫下熱導率可達到1260W/mK。VGCF浸入環氧樹脂,150 ℃熱壓成型,塊狀混合材料熱導率可達695W/mK,開發了貼片的新工藝。
存在問題:各向異性的熱傳導特性,對其下的熱沉熱導率要求很高;芯片與VGCF界面的熱阻過大。
⑥、碳納米管(CNTs):
CNTs由單層或多層石墨片卷曲而成的無縫納米管狀殼層結構,具有良好的熱、電和力學性能;理論計算和實驗均已證明碳納米管具有較高的熱導率,Berber等利用分子動力學(MD)模擬計算出單壁碳納米管(swNT)室溫熱導率高達6600W/(m•K),Kim等用實驗的方法測得多壁碳納米管(MWNT)的室溫熱導率達3000W/(m•K)。
存在問題:由于各向異性的熱傳導特性,對其下的熱沉熱導率要求很高。
新型散熱材料的進展:
a、泡沫碳材料:
制作方法:瀝青放入真空室加溫融化-輸入高壓氮氣同時升溫-瀝青泡沫化-800℃硬化-降溫降壓至自然條件-氮氣氛1050 ℃熱處理-2800 ℃石墨化處理。
性能:熱導率理論值大于2000W/mK、2002年實驗值150W/mK、表面積大、重量輕。
散熱原理:多孔熱交換。
b、氣相生長碳纖維(VGCF):
制作方法:VGCF浸入環氧樹脂,150 ℃熱壓成各種翼片型材,其混合材料熱導率可達到695W/mK(鋁的3.66倍),密度1.48g/cm3(銅的1/6)。
存在的問題:工藝條件苛刻,難度高、成本高(2004年VGCF的價格2200$/Kg)。
總結:
即使達到200lm/W,藍光LED外量子效率仍然不高,熱管理是個長期的任務。未來在LED導熱領域,表面貼裝型LED是發展的主流,新型高導熱基板是基礎,高導熱固晶膠或共晶焊固晶都會得到持續發展。雖然傳統散熱片的設計上仍有潛力可挖,但是碳纖維混合物高熱導、低重量將會更具吸引力。
LED封裝及應用的熱設計的出路---將科學散熱與藝術美感有機結合。
 
 
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