大功率LED灯的基板材料.docx
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大功率LED灯的基板材料
大功率LED基板材料及发展趋势
班级:
材料0901学好:
25姓名:
刘猛
【摘要】:
散热是大功率LED封装的关键技术之一,散热不良将严重影响LED器件的出光效率、亮度和可靠性。
基板是散热的载体,基板材料散热性能的好坏直接决定了大功率LED元件的性能。
本文主要介绍了LED技术的发展历程,大功率LED元件的基本结构并散热途径和各组成部分对其散热的影响进行了分析。
此外,还介绍了目前常用的基板材料及各自的优缺点及基板材料的研究发展方向,重点介绍了金属基板材料的优异的性能并和其它基板材料进行了对比,最后对基板材料的发展方向做了简单的介绍。
【键词】:
LED基板材料发展趋势
0、引言
大率LED具有省电、寿命长及反应时间快等优点,在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用。
[1]LED产业目前的发展也是以高功率、高亮度、小尺寸LED产品为发展重点,前述3项因素,都会使得LED的散热效率要求越来越高,但是LED限于封装尺寸等因素,无法采用太多主动散热机制,因此,提供具有其高散热性,精密尺寸的散热基板,也成为未来在LED散热基板发展的趋势。
大功率LED的基板材料必须有高的电绝缘性能,高稳定性,高热导率,与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和较高的强度。
少数金属或合金能满足高导热率低膨胀系数的要求,为保障电绝缘性,需要涂覆高分子聚合物介质膜,热导率通常很低,而且高温下的性能会变差。
在满足性能和可靠性的前提下,陶瓷体材料、陶瓷膜或者半导体材料,从材料自身或者是综合成本考虑,用做半导体照明的LED基板材料均有不尽人意之处。
GaN材料自20世纪90年代以来逐渐在显示、指示、背光和固态照明等领域广泛应用,已形成巨大的市场。
到目前为止,三种衬底(蓝宝石、碳化硅和硅)上制备的氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)均已实现商品化。
近几年来,硅衬底GaN基LED技术备受关注。
因为硅(Si)衬底具有成本低、晶体尺寸大、易加工和易实现外延膜的转移等优点,在功率型LED器件应用方面具有优良的性能价格比[2]。
1、LED照明技术发展历程简介
1、1907年HenryJosephRound第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。
由于其发出的黄光太暗,不适合实际应用;更难处在于碳化硅与电致发光不能很好的适应,研究被摒弃了。
二十年代晚期BernhardGudden和RobertWichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。
再一次因发光暗淡而停止。
2、1936年,GeorgeDestiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。
随着电流的应用和广泛的认识,最终出现了"电致发光"这个术语
3、1962年,GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓(GaAsP)半导体化合物,从此可见光发光二极管步入商业化发展进程。
4、1965年,全球第一款商用化发光二极管诞生,它是用锗材料做成的可发出红外光的LED,当时的单价约为45美元。
其后不久,Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化红色LED。
这种LED的效率为每瓦大约0.1流明,比一般的60至100瓦白炽灯的每瓦15流明要低上100多倍。
5、1968年,LED的研发取得了突破性进展,利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦,并且能够发出红光、橙光和黄色光。
6、1971,业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。
7、到20世纪70年代,由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用,LED的价格直线下跌。
事实上,LED在那个时代主打市场是数字与文字显示技术应用领域。
8、80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAsLED,它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。
这一技术进步使LED能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯(CHMSL)设备。
9、1990年,业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术,这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。
10、今天,效率最高的LED是用透明衬底AlInGaP材料做的。
在1991年至2001年期间,材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。
11、1994年,日本科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二极管,由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。
12、20世纪90年代后期,研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED,但色泽不均匀,使用寿命短,价格高。
随着技术的不断进步,近年来白光LED的发展相当迅速,白光LED的发光效率已经达到38lm/W,实验室研究成果可以达到70lm/W,大大超过白炽灯,向荧光灯逼近[3]。
2大功率LED结构及散热分析
2.1大功率LED的结构
2.1.1正装结构
最早发展起来的功率型LED芯片是正装结构的。
芯片底层是蓝宝石衬底,封装后的芯片上面覆盖荧光粉和环氧树脂透镜。
由于LED芯片的封装材料导热系数都很小,散热能力很差,芯片PN结区域产生的热量主要向下通过蓝宝石衬底进行热传导。
当前占市场主流的就是正装横向结构为主的蓝宝石衬底氮化镓LED,即两个电极在氮化镓基外延层的同一侧。
但这种结构存在较严重的缺点:
(1)蓝宝石的导热性较差,使得有源层的热量不能及时散出,PN结温度很高,衬底会吸收有源区的发光,只能通过增加金属反射层来缓解。
(2)由于两个电极在同一侧,不可避免地存在相互影响,使得输入电流的均匀性较差,电光转换效率降低。
这种正装芯片不能满足大功率LED封装要求[4]。
2.1.2倒装结构
为了避免正装芯片中因电极挤占发光面积从而影响发光效率,芯片研发人员设计了倒装结构,即把正装芯片倒置,使发光层激发出的光直接从电极的另一面发出(衬底最终被剥去,芯片材料是透明的),同时,针对倒装设计出方便LED封装厂焊线的结构,从而,整个芯片称为倒装芯片(FlipChip),该结构在大功率芯片较多用到.
2.2大功率LED散热机理
图1为大功率LED模组的封装结构图,其散热路径主要有三条:
①芯片→荧光粉胶层→硅胶透镜→环境;②芯片→金线→电极引脚→环境;③芯片→TIM→散热基板→热沉→环境。
其中第1、2条路径消散的热量有限,大部分热量通过第3条路径耗散,这也是LED器件散热的关键。
LED热阻是指LED点亮后,热量传导稳定时,芯片耗散1W功率,pn结与环境间的温度差。
热阻大表示热量难以传导,器件内部的温度比较高,反之则表示芯片上的热
量向外传导快。
图2给出了LED封装结构热阻分析。
从图2中可以看出,LED器件总热阻Rtotal
由各环节热阻串联而成,可表示为:
其中,Rchip为LED芯片热阻,Rchip-DBC为芯片与散热基板(DBC)间界面热阻,RDBC为基板(DBC)体热阻,RDBC-HK为DBC与热沉间界面热阻,RHK为热沉体热阻,RHK-air为热沉到环境的扩散热阻。
研究表明,
Rchip-DBC占总热阻的绝大部分,是影响总热阻高低的关键,可进一步表示为
Rchip-DBC=Rchip-TIM+RTIM+RDBC-TIM
其中,Rchip-TIM为芯片与TIM间接触热阻,RTIM为TIM体热阻,RDBC-TIM为TIM与DBC间接触热阻。
大量研究表明,LED器件热阻并不是一个常数,随着环境温度、芯片功率、热沉面积及其布置方向而变化[5]。
2.2LED组成元件对散热的影响
2.2.1基板材料的影响
功率型LED基板材料是影响其热导特性的重要因素,而散热基板材料必须有高的电绝缘性能、高稳定性、高热导率,与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和较高的强度。
[6]LED散热基板主要是利用其材料本身具有的高热导率,将热量从LED芯片导出,实现与外界的电互连与热交换。
目前常用的LED封装基板主要包括PCB、MCPCB、DBC等。
2.2.2芯片结构的影响
目前制备LED芯片有源层的主要材料是GaN,由于GaN薄膜无法在体单晶GaN上进行同质外延,而是依靠MOCVD工艺在相关的支撑衬底上生长而成。
[5]常用的支撑衬底材料包括蓝宝石(α-Al2O3)、碳化硅(SiC)和硅(Si)。
。
此外,为便于固晶贴片,LED芯片衬底底部一般需沉积一层金属层,如Au、AuSn或AgSn层,共晶贴片有助于进一步降低热阻。
2.2.3封装材料的影响
从图2的热阻分析可以看出,封装界面对总热阻影响很大,如果不能正确处理界面,就难以获得良好的散热效果,改善LED散热的关键在于减少界面热阻,因此选择合适的热界面材料(TIM)与散热基板十分重要现阶段常用的封装材料主要是导热胶,导电银胶,金属焊膏。
随着技术的发展尤其是纳米技术的逐渐成熟,一些新型材料开始应用于大功率LED界面封装领域,如具有良好导热、导电和机械性能的碳纳米管材料,具有高出光绿率、低热阻的纳米银膏材料等。
3大功率LEDD的基板材料
大功率LED所产生的热量主要通过基板材料传导到外壳而散发出去,不同的基板材料,其导热性能各异,高导热的基板可以满足自然冷却的要求,据计算,在基准温度(100℃)以上,工作温度每升高25℃,电路的失效率就会增加5~6倍,因此如何提高基板的散热性能,使得电路在正常温度下工作已成为一个亟待解决的问题,但一些传统的材料由于其综合性能、环保、成本等因素,以难以满足大功率器件封装的要求,我们必须不断去发掘新的材料,使其更加符合大功率LED散热的要求。
3.1大功率LED对基板材料的性能要求
(1)高焊接耐热性。
无铅化焊接已成为电子工业的基本要求,新型封装基板一定要满足在无铅焊接条件下基板不变形、不起泡、不变色、不分层等要求。
(2)高Tg性。
受热后基材物理状态(由固态变为流体)开始变化时的最低温度。
一般Tg值越高,基板的尺寸稳定性、抗吸水性、耐热性好。
(3)低热阻性。
要求基板材料的低热阻性是为了保证良好的散热通道。
(4)高可焊可靠性。
与金线键合良好,拉力测试不能出现E点断线。
成品应能承受300次的高低温冲击试验。
[7]
3.2常用LED基板封装材料
3.2.1AI2O3基板
在实用的陶瓷基板材料中,氧化铝价格较低,从机械强度、绝缘性、导热性、耐热性、耐热冲击性、化学稳定性等方面考虑,其综合性能最好,作为基板材料使用最多。
氧化铝陶瓷的玻璃成分一般由二氧化硅和其他氧化物组成,玻璃含量可有很高变化到很低,由于玻璃的导热性很差,因此,玻璃含量高的陶瓷导热性在制造高密度、大功率电路时必须予以个别注意[6]。
实验表明,当175mA小电流通入在1x1mm2LED芯片上,氧化铝基板因热阻的温升为10.5℃(=20x175mAx3.0V)热不易传导出LED芯片。
当350mA电流通入在1x1mm2LED芯片上,氧化铝基板因热阻的温升为23℃(=20x350mAx3.3V)此时氧化铝基板会无法将热传导出LED芯片,LED芯片会产生大量光衰。
当500mA大电流通入在1x1mm2LED芯片上,氧化铝基板因热阻的温升为36℃(=20x500mAx3.6V),此时氧化铝基板会无法将热传导出LED芯片,LED芯片会快速光衰,因此,LED芯片封装若选择氧化铝基板,因其热阻高,封装组件只适合在低功率条件下(约175mA,0.5W)[8]
3.2.2AIN基板
氮化铝和氧化铝不一样,在自然界没有天然形成的。
因此,需要人工制造氮化铝,氮化铝的价格要比氧化铝要贵。
氮化铝陶瓷基片具有高达170W/m·k的高热导率(为氧化铝的7倍)、较低的介电常数和介质损耗、可靠的绝缘性能,优良的力学性能,无毒,耐高温,耐化学腐蚀。
作为理想的绝缘散热基板和封装材料,广泛应用于大规模集成电路、半导体模块电路及大功率器件等高技术领域
AlN陶瓷基片主要性能指标
性能内容性能指标
热导率(W/m·k)≥170
体积电阻率(Ω·cm)>10
介电常数[1MHz,25℃]9
介电损耗[1MHz,25℃]3.8х10-4
抗电强度(KV/mm)17
体积密度(g/cm3)≥3.30
表面粗糙度Ra0.3~0.5
热膨胀系数[20℃to300℃](10-6/℃)4.6
抗弯强度(MPa)320~330
弹性模量(GPa)310~320
莫氏硬度8
吸水率(%)0
翘曲度(~/25(长度))0.03~0.05
熔点2500
注:
1.表面光洁度经抛光处理后,Ra≤0.1µm;[9]
3.2.3低温共烧陶瓷基板(LTCC)
LTCC又称为低温共烧多层陶瓷基板,此技术须先将无机的氧化铝粉与约30%~50%的玻璃材料加上有机黏结剂,使其混合均匀成为泥状的浆料,接着利用刮刀把浆料刮成片状,再经由一道干燥过程将片状浆料形成一片片薄薄的生胚,然后依各层的设计钻导通孔,作为各层讯号的传递,LTCC内部线路则运用网版印刷技术,分别于生胚上做填孔及印制线路,内外电极则可分别使用银、铜、金等金属,最后将各层做叠层动作,放置于850~900℃的烧结炉中烧结成型,即可完成。
详细制造过程如图1LTCC生产流程图。
LTCC技术最早由美国开始发展,初期运用于军用产品,后来欧洲厂商将其引入车用市场,而后再由日本厂商将其应用于资讯产品中。
目前,LTCC材料在日本、美国等发达国家已经进入产业化、系列化和可进行材料设计的阶段。
[8]
3.2.4SiC基板
与其他材料相比,其热扩散系数很大,甚至比铜还大,而且其热膨胀系数与硅接近。
。
与氧化铝相比,其介电常数高,而且它的绝缘耐压差。
使用碳化硅衬底的芯片电极为L型,两个电极分布在器件的表面和底部,所产生的热量可以通过电极直接导出;同时这种衬底不需要电流扩散层,因此光不会被电流扩散层的材料吸收,这样又提高了出光效率。
室温下,其热导率比铝还高,可达氧化铝基板的20倍以上,但其热导率会随温度的升高明显下降。
但是碳化硅制造成本较高,实现其商业化还需要降低相应的成本。
[9]
3.3.5硅基板
应用以硅为导热基板的LED封装,具有快速导热的性能,可大幅解决因为使用氧化铝造成的高热阻问题。
实验表明,当大电流(700mA)通入在1x1mm2的LED芯片上,硅基板因热阻的温升为6.3℃(=2.5x700mAx3.6V),硅基板会快速将热传导出LED芯片,LED芯片只会有小量光衰。
硅藉由优良导热性能将热传导出LED芯片,LED芯片会只会有小许光衰。
因此,LED芯片封装在硅基板上适合于大功率使用(~700mA,约3W)。
因为硅基板制作及LED封装在硅基板,技术难度非常高,目前只有少许公司具备。
硅作为LED集成封装基板材料的热阻低于氧化铝基板材料,应用于大功率时,硅基板为好的选择。
[8]
3.2.6工程塑料
环氧模塑料(EMC-EpoxyMoldingCompound)即环氧树脂模塑料、环氧塑封料,是由环氧树脂为基体树脂,以高性能酚醛树脂为固化剂,加入硅微粉等为填料,以及添加多种助剂混配而成的粉状模塑料。
塑料封装(简称塑封)材料90%以上采用EMC。
环氧塑封料以其成本低廉、工艺简单和适于大规模生产等优点在集成电路封装材料中独占鳌头,目前全球集成电路封装的97%采用EMC。
随着集成电路与封装技术飞速发展,越来越显示出EMC的基础地位和支撑地位的作用。
然而,树脂基板的散热极限多半只支持0.5W以下的LED,显然,环氧树脂已不符合LED大功率化的发展需求。
[7]
3.3新型LED基板封装材料的研究新领域
LED产业目前的发展也是以高功率、高亮度、小尺寸LED产品为发展重点,这将使得LED的散热效率要求越来越高,但是LED限于封装尺寸等因素,无法采用太多主动散热机制,因此,提供具有其高散热性,精密尺寸的散热基板,也成为未来在LED散热基板发展的趋势。
3.3.1氧化镓基板材料
日本田村制作所与光波公司宣布,开发出了使用氧化镓基板的GaN类LED元件,该元件及氧化镓(Ga2O3)基板预计可在2011年末上市。
新开发的LED元件与以前使用蓝宝石基板的LED元件相比,每单位面积可流过10倍以上的电流。
将用于前照灯及投影仪等需要高亮度照明的应用领域。
另外,氧化镓基板通过
简单的溶液生长即可形成,是一种可实现低成本化的技术,还能用于照明等用途。
氧化镓基板具有高导电性,使用该基板的GaN类LED元件可在表、里两面设置电极。
田村制作所与光波公司此次还开发了可大幅削减设于氧化镓基板和GaN类外延层之间缓冲层电阻的技术,并且通过在氧化镓基板上形成低电阻n型欧姆接触电极的技术,实现了可流过大电流的LED元件[9]。
3.3.2金属基板
在满足性能和可靠性的前提下,从材料热导率或综合成本考虑,陶瓷材料、陶瓷薄膜以及半导体材料用作半导体照明的LED基板材料均有不尽人意之处。
金属基板以其优异的散热性能、机械加工性能、电磁屏蔽性能、尺寸稳定性能、磁力性能及多功能性能,在混合集成电路、汽车、摩托车、办公自剪化、大功率电器设备、电源设备等领域,得到了越来越多的应用,特别是在LED封装产品中作为底基板得到广泛的应用。
[4]尽管金属基板在LED封装广泛只有很短历史,由于它的散热性、加工性等好于一般的陶瓷基板,它已经目前一般LED封装用的主流基板。
并在LED封装方面的应用量,已超过其它上述的应用领域需求量。
按金属基板的组成可划分为:
①金属铝基板:
②金属铁基板;③金属铜基板:
④金属钼基板;⑤金属铝合金基板等。
铝基板具有高散热性,机械强度高加工性好的优点,因此是目前最常用LED散热材料之一。
但它所制的PCB,在装配有开关元件及电源、功放元件的部位上,工作时发生噪音。
铝基板与其它金属基板相比,相对线膨胀系数较大。
为了解决上述问题,达到PCB高密度布线和降低、消除噪音发生,近年出现厂二层结构的铝基板[10]。
铁基板具有其它金属基板所不具备的电磁特性,并且尺寸稳定性好、价格低的优点。
它也存在着重量、耐腐蚀、热传导性比铝、铜基板差的问题。
铁基板主要分为三大类:
①不锈钢基板。
它的绝缘层是高温烧制的厚膜玻璃。
导体层是经印刷导体材料(Ad一Pd)后,烧制而成的。
板的机械强度高于陶瓷基板,但热冲击和机械冲击性较差。
②铁基板。
铁板做基板,为防止铁生锈,有进行镀铝和镀锌处理的两类板。
它们的绝缘层由环氧树脂、环氧玻璃布等组成。
绝缘层厚40一150um。
③低碳钢板做芯的外表为釉材不的包覆型金属基板。
铜基板具有高散热性,作为底基板的接地连接性好的优点。
但存在着重量大、难于进行端面防氧化处理等缺点[7]
三种不同金属基板在热物理性方面的对比
材料名称
热传导率W/m℃
相对密度Kg/m3℃
比热J/kg-℃
热扩散率mm2/s
热阻℃/W
元器件上升温度发热5W
金属铝基板(板厚1.0mm)
237
2688
0.905
96.8
2.8
14℃
金属铜基板
398
8880
0.368
117
-
金属铁基板(板厚1.0mm)
80.3
7870
0.442
22.7
4.6
23℃
环氧-玻纤布基PCB(板厚1.2mm)
0.3
1850
1.1
0.14
14
70℃
铝-陶瓷复合基板
36
3896
0.779
11.89
金属基板与常规基板材料在特性上的对比
(1)散热性
随着电子信息产业的飞速发展,电子产品的体积尺寸越来越小,功率密度越来越大,解决散热问题是对电子工业设计的一个巨大的挑战。
金属基板的散热性优异,这是此类板材最突出的特点。
它无疑是解决散热问题的有效手段之一。
与传统的FR-4相比,金属铝基板能够将热阻降至最低,使基板具有极好的热传导性能。
在电子元器件装联中采用金属基板,可防止在PCB上装载的元器件及基板的工作温度上升。
也可将电源、动放元件;大功率元器件、大电流开关元器件产生的热量得到迅速地散发,因此金属铝基板能够承载更高的电流
(2)良好的机械加工性能
金属基覆铜板具有高机械强度和韧性,此点大大优于刚性树脂类覆铜板和陶瓷基板。
为此可在金属基板上实现大面积的印制板的制造。
重量较大的元器件可在此类基板上安装。
另外金属基板还具有良好的平整度。
可在基板上进行敲锤、铆接等方面的组装加工。
在其制成的PCB上,非布线部分也可以进行折曲、扭曲等方面的机械加工
(3)电磁屏蔽性
为了保证电子电路的性能,电子产品中的一些元器件需防止电磁波的辐射、干扰,金属基板可充当屏蔽板起到屏蔽电磁波的作用。
(4)电磁特性
铁基覆铜板的基板材料是具有磁性能的铁系元素的合金(如矽钢板、低碳钢、镀锌冷轧钢板等)构成,利用它的这一特性将其应用于磁带录音机(VTR)、软盘驱动器(FDD)、伺服电机等小型精密电机上。
此种金属基覆铜板既起着PCB的作用,又起小型电机定子基板之功能[6]。
4结束语
大功率LED封装基板作为热和空气对流的载体,其导热效率对LED的散热起决定性作用,可以说,基板材料的性能决定了大功率LED元件的总体性能。
因此,提供具有其高散热性,精密尺寸的散热基板,也成为未来在LED散热基板发展的趋势[11]。
现阶段以氮化铝基板取代氧化铝基板,或是以共晶或覆晶制程取代打金线的晶粒/基板结合方式来达到提升LED发光效率为开发主流。
近几年,金属基板逐渐受人推崇,并以其高导热性、良好的加工性能等优点成为大功率LED基板材料的重点发展对象。
只要人们的不断努力,一定可以找到一种符合LED大功率化发展趋势的基板材料,使大功率LED元件的性能有质的飞跃。
相信在不久的将来,LED会走进千家万户,为我国节能减排和低碳经济做出巨大的贡献。
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研究篇2011年1月(下)第25卷第1期
11钱金川高能效LED照明领域的未来发展中国电子商报
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