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铝碳化硅(Alsic)在大功率 LED 芯片封装上的应用

发布日期:2016-12-13  浏览次数:576
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   一、前言

  随着混合集成电路技术的飞速发展、大功率器件的广泛应用以及器件更高性能的要求,对封装材料提出了更新、更高的要求,传统材料不再适用于高功率密度器件的封装。过去大量使用的铝、铜、可伐或半导体材料等不能达到良好的导热指标和轻便的要求,而且成本较高,已不能满足这种高功率密度的需要。这使得电子器件热管理问题成为瓶颈。如果电子器件热管理问题得不到很好的解决,会导致电子器件的热失效,从而造成封装体与芯片因受热膨胀而开裂,芯片散热性不佳而停止工作。当两种接触材料的热膨胀系数差异达到 12ppm/K 时,仅 100 次热循环就会出现热疲劳失效,比如在大功率 LED 应用中,由于高亮度产品的电流量提高(电流由早期 0.3A 发展到目前约 1A)或因其高功率(由早期 1W 发展到目前约可达 5W)致使单位面积高热量产生。一般说来,每 100%的能源只有约 20%产生光,而有 80%的能源变为热能损耗,因此热量是能源最大的消耗。但同时若不移除多余的热能,则 LED 使用寿命及效能将折损。因此,为了保证此类设备的可靠性,就需要解决热管理这个问题。解决这一瓶颈最好的

  方法就是通过改变提高封装材料的性能。

  二、大功率 LED 照明光源需要解决的散热问题

  大功率 LED 芯片在工作时就会产生大量的热量。如何将产生的热量散发出去,保证一定环境温度条件下能长期正常工作显得尤为重要,解决好热耗散是大功率器件封装的关键。大功率 LED 照明光源需要解决的散热问题涉及以下几个环节:

  1、晶片 PN 结到外延层;

  2、外延层到封装基板;

  3、封装基板到外部冷却装置再到空气。

  为了取得好的导热效果,三个导热环节应采用热导系数高的材料,并尽量提高对流散热。LED 发出的热量通过导热硅脂传递给散热板,再通过铝散热器将绝大部分热量通过辐射和对流的方式带到周围的空气中,将热量排除,这样就形成了从 LED 芯片通过导热硅脂和铝基板到周围空气的散热通路。材料热传导性能的一个很重要的指标是热阻,热阻是指热量传递通道上两个参点之间的温度差与两点间热量传递速率的比值。

  Rth=△T/qx (1)

  其中:Rth=两点间的热阻(℃/W 或 K/W),△T=两点间的温度差(℃),qx=两点间热量传递速率(W)。在热传导模型的热阻计算由下式给出:

  Rth=L/λS (2)

  其中:L 为热传导距离(m),S 为热传导通道的截面积(?),λ为热传导系数(W/mK)。热传导系数(W/mK):是指在稳定传热条件下,1m 厚的材料,两侧表面的温差为 1 度(K,℃),在 1 小时内通过 1?面积传递的热量,单位为瓦/米?度(W/m?K,此处为 K 可用℃代替)。

  从公式(2)可知,越短的热传导距离、越大的截面积、越高的热传导系数对热阻的降低越有利,这就要求设计合理的封装结构和选择合适的材料。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,要解决这一问题,基板的选择是关键。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,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。

  三、铝碳化硅(Alsic)的材料特性

  产品的性能优势是由材料的技术特点决定的,在微电子封装中使用何种封装材料主要取决于三种技术参数,即热导率、热膨胀系数和密度。热导率高的材料导热性能好,是优先考虑的封装材料;而热膨胀系数则需要与芯片的膨胀系数相匹配,这样才不会在受热后使封装体与芯片开裂;对于材料密度而言,人们的理想是追求越轻便越好的,即低密度材料。下表表现了目前使用较多的几种封装材料在三个主要性能指标上的比较。

  

 

  可以看出,AlSiC 是所有材料中最适合人们所追求的理想封装材料的一种,它同时符合低密度、匹配的热膨胀系数和高导热率这三个条件。此外,由于它有材料可调性(即可以通过调整碳化硅的含量来适应各种芯片或器件的要求),在微电子封装材料中有无可比拟的优势。

  铝碳化硅(AlSiC)电子封装材料是将金属的高导热性与陶瓷的低热膨胀性相结合,能满足多功能特性及设计要求,同时具有高导热、低膨胀、高刚度、低密度、低成本等综合优异性能的电子封装材料。在国际上,铝碳化硅属于微电子封装材料的第三代产品,是当今西方国家芯片封装的最新型材料。

  四、铝碳化硅(Alsic)材料在大功率 LED 封装的应用

  固态照明器件的发光效率和可靠性依赖于成功的热管理。对于一个 40lm/W 的白光 LED来说,只有 15%的能量转化为可见光,其余的 85%全部转化为热。热流增加的原因包括芯片外延技术的进步、新的封装设计以及更高的驱动电流。温升效应将对 LED 性能产生严重的影响:总体效率变低,正向压降,光波红移,色温改变,寿命缩短,可靠性降低。因此,散热、热应力和成本成为影响 LED 性能、光转化效率和应用的主要封装问题。大功率 LED 的热管理对其长期的可靠性起着关键的作用,所以必须采用新的封装技术,寻找导热性能优良的封装材料,在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。显然,减小 LED 温升效应的主要方法有两条途径:一是设法提高器件的电光转换效率,另一个是设法提高器件的热散能力。所以在抗热性高封装材料的开发上,相对显得非常重要。也就是说,大功率 LED 照明急需要解决散热的问题,铝碳化硅优秀的热管理性能十分适合应用在 LED 组装的散热基板,能够从根本上解决封装领域的热失效问题。因此,其市场前景将非常广阔,对 LED 产业链的发展具有十分重要的作用。

  目前,AlSiC 可用作 LED 器件的基板以及热沉等,能实现气密性封装。通过对比发现,BeC、AlN、Al2O3 三种材料的热阻率依次增加,而 AlSiC 和 SiC 这两种材料的热导率较高。从 LED 封装对基板材料的要求来讲,如电性能、热性能、机械性能和化学性能等方面,以及综合考虑材料的成本、工艺及对环境和人的影响,AlSiC 都表现出了优异的性能并且可以作为优良的新型大功率 LED 封装基板材料。如图 1 所示为一种使用 ALSiC 进行芯片封装模型的示意图。

  

 

  铝碳化硅是大功率 LED 芯片封装的理想材料,已经被广泛证实。目前国际上大公司已经

  广泛采用,如德国欧司朗(OSRAM),该公司在大功率白光 LED 封装材料中已经大量使用了铝

  碳化硅。

  五、结论

  解决大功率 LED 面临的发光效率低、发热量高、成本高等问题的关键在于合理选择高热

  导率的封装材料,铝碳化硅在解决大功率 LED 芯片封装散热问题上具有其他材料无法比拟的

  优势,是目前最为理想的热管理解决方案,能够充分保证大功率 LED 的效率和可靠性。铝碳

  化硅(ALSiC)作为微电子理想的封装材料,不仅适用于大功率 LED 芯片封装散热,还可以广

  泛地应用到军工和民用领域,充分发挥它作为基础材料重要作用。

  参考文献

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  [2]周贤良 吴江晖 电子封装用金属基复合材料的研究现状 《南昌航空工业学院学报》

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  2006年12月第27卷第6期

  [8]赵赞良,唐政维,蔡雪梅 比较几种大功率LED封装基板材料 《装备制造技术》


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