功率型LED工作时产生的热量会使晶片温度升高。如果LED的散热问题处理不好,就有可能使晶片温度升高到超过所允许的最高结温,从而导致LED的性能退化或失效。 大功率LED封装由于结构和工艺复杂,并直接影响到LED的使用性能和寿命,一直是近年来的研究热点。
LED散热途径
不同的封装方式与技术,其散热方法有所不同,而LED各种散热途径方法如图一所示:
散热途径说明: ① 从空气中散热;
② 热量直接由System circuit board导出;
③ 经由金线将热量导出;
④ 若为共晶及Flip chip制程,热量将经由芯片至基板导出。
然而,现阶段的散热瓶颈,多数发生在将热量从LED晶片传导至其基板再到系统电路板为主。此部分的可能散热途径:
其一为直接由晶片基板传导至系统电路板(如图一途径②所示),在此散热途径里,其LED晶片基板材料的热散能力是很重要的参数。
其二,LED所产生的热也会经由电极金属导线至系统电路板,一般而言,利用金线方式做电极Bond下,散热受金属线本身较细长的几何形状而受限(如图一途径③所示);因此,开发共晶 (Eutectic) 或覆晶(Flip chip)接合方式将大幅减少导线长度,并大幅增加导线截面积,如此一来,由LED电极导线至系统电路板的散热效率将有效提升(如图一途径④所示)。
结面温度与发光效率的关系 随着LED照明进入市场,高功率LED的散热问题越来越受到重视,因为过高的温度会导致LED发光效率降低。LED工作时所产生的热量若无法及时有效地散出,将会使LED结面温度过高,进而影响产品的生命周期、发光效率、稳定性,甚至对LED的寿命造成致命性的影响。图二为LED结面温度与发光效率的关系图,当结面温度由25℃上升至100℃时,其发光效率将会衰退20%到75%不等。此外,当Tj温度由63℃升到74℃时,LED平均寿命将会减少3/4。因此,要提升LED的发光效率,必须要解决散热问题。
LED的热阻 热阻代表LED照明器件本身的热传递性能。与电阻类比,我们可以得到,热阻 的物理意义是表示热传递路径上的阻力。通常将两个节点间单位热功率输运( )所产生的温度差( )定义为这两个节点间的热阻 ,单位为℃/W,其数学表达为:
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从表达式中我们能看出,热阻越大,散热能力就越差。很明显,怎样有效的降低热阻,是LED封装中散热问题的关键。
LED结温对光通量的影响 在LED的工作过程中,其光输出对于器件的结温有明显的依赖性,随着结温的不断升高,其光强逐渐减小,发光性能越来越差。光通量 与结温 的关系式为:
真明丽Ceramic+filp chip产品介绍 通过前面阐述,LED热阻及结温是影响LED出光效率及寿命的两个关键因素,相反的,当LED的热阻降低以及LED工作时结温较低时,LED将拥有更好的出光效率以及更长的寿命。因此要提高LED的出光效率以及降低热阻及结温以便提高LED的可靠性上面,必须寻找一种有着高导热系数以及与晶片近似的热膨胀系数的材料作为LED散热基板成为了一种研究方向。同时由于LED产生的90%热量都是向下走,基于散热考虑,研究表明陶瓷基板线路对位精确度高,并且陶瓷基板具有与晶片有着接近的热膨胀系数与高耐热能力,有效的解决了热歪斜与高温制程,为业界公认导热与散热性能极佳材料,被大量的使用于功率型LED。
当前主流的Ceramic产品几种常见制程介绍: 第一种如下:
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此种制程方式制备的LED与传统的方式几乎一致,不同的是传统大功率采用的是金属热沉,而这里采用的是陶瓷散热基板,很重要的白光制程依然采用传统的点胶方式。
第二种如下:
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此种方式制备的LED引入了与传统点胶制程不同的喷粉制程,喷粉制程对白光的一致性以及光源出光效率及光斑效果均有一定改善与提升。
以上两种制程方案始终没有在焊线制程做出改变,经过长期的研究与分析,Bond Wire结构模式在很大程度上影响LED的可靠性。当前LED死灯原因大致可分为两种:一种是晶片本身失效,造成此类原因有静电击穿、漏电、散热不良等;另一种则是连接晶片的导线(金线)开路,造成此类原因很大程度上是由于Bond Wire过程中留下的隐患以及Bond Wire本身的结构缺陷造成,如:焊线参数不当,瓷咀使用时间过长或发生破损不被及时发现等等。
同时因为LED是不同材料组合一起的封装体,在比较恶劣的环境下(如我国北方地区昼夜温差较大)使用时会因各个材料的热膨胀系数不同以及附着能力的影响造成LED引线断开造成开路引起LED失效。
基于改善上述两个方案最大的不足,下面引入一个新制程方案。
Flip chip介绍 LED封装技术主要是往高发光效率、高可靠性、高散热能力与薄型化发展。从晶片来看,目前最普遍的是水平式晶片,水平式LED使用蓝宝石基板,散热能力较差,且在高电流驱动下,光取出效率下降幅度也较大。而比较高端的厂商则研发垂直式晶片与覆晶型晶片,覆晶型晶片为缩短晶片到基板的距离创造了条件,同时采用的是AuSn合金共晶,这大大的减小了晶片到散热基板之间的热阻,从而提高LED的可靠性。
传统晶片与Flip chip结构对比