金屬滲透梯度層陶瓷基片在LED散熱中的應(yīng)用

何永祥，金小平，楊 松，黃大康

（1.杭州流明科技有限公司，浙江 杭州 3114222；2.浙江省交通科學(xué)研究所，浙江 杭州 310006）

LED通常是用氮化鎵等半導(dǎo)體材料制成的發(fā)光器件，由帶正電荷空穴P型半導(dǎo)體和帶負(fù)電荷電子N型半導(dǎo)體組成.電子與空穴經(jīng)復(fù)合以光和熱形式輻射能量是LED發(fā)光的主要機(jī)理，其中熱輻射對(duì)固體發(fā)光器件是有害的.目前輸入LED的電能中，僅10%～20%有效轉(zhuǎn)化為光能，其余轉(zhuǎn)化為熱能.

LED燈具有節(jié)電、環(huán)保、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，將逐步取代現(xiàn)有的許多照明器件，但LED散熱是業(yè)內(nèi)十分關(guān)注的課題.大功率LED燈具必須在有限空間的封裝體中處理大量熱量的散發(fā)，否則會(huì)使LED結(jié)溫遽然升高，導(dǎo)致以下六種問題.

1）壽命大幅度縮短

芯片結(jié)溫升高，LED壽命呈指數(shù)下降.Narendran早期實(shí)驗(yàn)［1］證實(shí)：芯片結(jié)溫升高，LED壽命呈指數(shù)下降，如圖1.近年來隨著工藝與技術(shù)改進(jìn)，芯片結(jié)溫在85℃時(shí)有效壽命達(dá)3萬小時(shí).

2）發(fā)光強(qiáng)度降低

結(jié)溫升高，芯片發(fā)光效率迅速減小，器件出光量呈線性下降［2］趨勢(shì)，如圖2.

3）光譜紅移

結(jié)溫超過一定界限會(huì)導(dǎo)致LED光譜波長(zhǎng)紅移.結(jié)溫每升高10℃，波長(zhǎng)紅移1nm，引起混色效果變化，致使光轉(zhuǎn)化效率降低.圖3所示為Seoul Semiconductor公司［4］大功率紅、綠、藍(lán)三種LED的結(jié)溫與顏色漂移的關(guān)系曲線［5］.

4）環(huán)氧樹脂失效

溫度升高使環(huán)氧樹脂透明度下降，溫度達(dá)140℃時(shí)，環(huán)氧樹脂嚴(yán)重退化，影響LED壽命，溫度達(dá)150℃時(shí)，環(huán)氧樹脂透明度明顯下降，光輻射輸出減弱.

圖3 LED結(jié)溫與顏色漂移的關(guān)系Figure 3 Relationship between LED junction and color drift

5）熒光粉退化

高溫環(huán)境下熒光粉會(huì)退化，導(dǎo)致LED受激發(fā)光譜區(qū)與芯片發(fā)光光譜區(qū)不匹配，熒光粉吸收的光強(qiáng)增多，發(fā)出的光強(qiáng)減少.熒光粉在高溫下透明度降低，造成大量光強(qiáng)散射，影響出光質(zhì)量.

6）電極失效

由于環(huán)氧樹脂、電極引線與芯片材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，在高溫下三者間的變形不一樣，導(dǎo)致引線折斷，造成災(zāi)害性失效.

可見，解決大功率LED散熱問題具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

圖4為大功率LED燈具的電、光、熱通路圖［3］.電極焊片下層有良好絕緣性和超強(qiáng)導(dǎo)熱性的介電層，熱量要通過介電層傳導(dǎo)到熱沉；光從LED芯片發(fā)出，經(jīng)底層導(dǎo)熱金屬反射，再經(jīng)環(huán)氧樹脂或硅樹脂從PC（聚碳酸酯）或PMMA（亞克力）蓋射出；由于正面是樹脂，不易傳熱，LED芯片的熱量必須由固晶膠傳導(dǎo)至導(dǎo)熱金屬塊，經(jīng)介電層傳至熱沉，傳到散熱片，再把熱量耗散到環(huán)境中.

圖4 大功率LED電、光、熱通路Figure 4 Electro－optical－h(huán)eat path for high power LED

大功率、高光效是LED照明行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì).大功率LED燈具發(fā)熱量大.LED在封裝級(jí)層面的散熱研究可歸結(jié)為：在封裝方面尋求新材料、研發(fā)新工藝、優(yōu)化新結(jié)構(gòu)以降低封裝熱阻，讓熱量傳導(dǎo)至LED燈具外部，降低芯片結(jié)溫，延長(zhǎng)大功率LED燈具壽命.包括：從兼顧大功率LED散熱和材料熱膨脹系數(shù)匹配的角度提出解決方案；采用金錫固晶方法使LED承受極端工況；采用集散熱器、絕緣層、電極層于一體的結(jié)構(gòu)，在鋁質(zhì)散熱器表面直接制備絕緣陶瓷膜，在陶瓷膜上濺射鍍覆電極層，通過減少內(nèi)部熱沉來降低熱阻；減小封裝熱阻和熱應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)表明熱阻可減少10倍以上［4］；將熱與電通路分離的改進(jìn)型封裝結(jié)構(gòu)，減小芯片至外部環(huán)境的熱阻；提出微小型變截面基于相變熱沉的大功率LED熱、電和光三路分離的封裝結(jié)構(gòu)，相比熱沉的整體熱響應(yīng)較快，基本不存在溫度梯度，冷凝面溫度分布較均勻，傳熱效率高，適合熱流密度大的散熱場(chǎng)合［5］；根據(jù)傅里葉定律，同一介質(zhì)，傳熱速率Q與熱傳導(dǎo)系數(shù)K、表面積A與溫度差Δt的關(guān)系為：Q＝KAΔt.不同介質(zhì)，傳熱速率Q等于不同介質(zhì)溫差Δti與不同介質(zhì)熱阻和 ∑Ri之比，即Q＝ ∑Δti／∑Ri.

2010年，利用Fluent模擬分析銅熱沉尺寸和粘結(jié)層厚度對(duì)LED芯片結(jié)溫的影響，分析結(jié)果表明：粘結(jié)層厚度對(duì)LED芯片結(jié)溫的影響較大［6］.迄今為止，解決大功率LED散熱主要采用鋁基板.

2 鋁基板散熱存在的問題

散熱問題是制約LED照明燈具進(jìn)一步推廣應(yīng)用的難題之一，掌握LED結(jié)構(gòu)的空間溫度場(chǎng)分布是解決其散熱難題的關(guān)鍵和基礎(chǔ)［7］.由于LED等功率型器件發(fā)熱量大，普通的印刷電路PCB板難以承受短時(shí)大量散熱需要，通常采用的辦法是將LED等功率型器件芯片焊接或膠黏在鋁基板上.鋁基板是芯片的載體，鋁基板的結(jié)構(gòu)：上層為銅箔，焊接器件用；中層為導(dǎo)熱絕緣層；下層為鋁質(zhì)基板，起散熱作用.導(dǎo)熱絕緣層是很薄的絕緣材料，用來絕緣銅箔與鋁質(zhì)基板，導(dǎo)熱絕緣層不僅要求絕緣性能好，而且要求導(dǎo)熱性能好.目前采用的是改性環(huán)氧樹脂或環(huán)氧玻璃布粘結(jié)具有片上電路的銅箔，熱阻仍較大.國(guó)內(nèi)一般鋁基板熱阻為1.7℃／W至3℃／W左右，較好的是摻有納米陶瓷的導(dǎo)熱鋁基板，其熱阻已能達(dá)到0.5℃／W，絕緣擊穿電壓大于3kV.與PCB板相比，鋁基板具有良好的熱傳導(dǎo)性和電氣絕緣性.目前在LED散熱領(lǐng)域鋁基板居很大的市場(chǎng)份額.隨著對(duì)LED散熱的需求增大，鋁基板的缺陷也逐漸顯現(xiàn)出來，歸納為三個(gè)方面.

2.1 導(dǎo)熱性不能滿足大功率LED［8］的要求

大功率LED照明燈具產(chǎn)生的熱量通過絕緣層傳導(dǎo)到金屬基板，再經(jīng)傳熱界面材料傳導(dǎo)到散熱器，將LED產(chǎn)生的絕大部分熱量以對(duì)流方式擴(kuò)散到周圍空氣中.

熱傳導(dǎo)是指兩個(gè)相互接觸且溫度不同的物體，或者同一物體溫度不同的各部分間在不發(fā)生相對(duì)宏觀位移的情況下所進(jìn)行的熱量傳遞過程.溫度較高時(shí)，組成物質(zhì)的顆粒具有較高的能量，這些微粒與低溫物體的低能量微粒相互碰撞、擴(kuò)散，形成熱傳導(dǎo).熱傳導(dǎo)實(shí)質(zhì)上是通過組成物質(zhì)的顆粒的熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量［9］.

圖5 平板導(dǎo)熱示意圖Figure 5 Diagram of plate heat conduction

如圖5，平板的厚度為δ、側(cè)面積為A.平板左右兩側(cè)分別保持均勻恒定溫度tW1和tW2，且tW1＞tW2，則單位時(shí)間內(nèi)從左側(cè)向右側(cè)傳遞的熱量Φλ與平板兩側(cè)的溫度差Δt和側(cè)面?zhèn)鳠岬拿娣eA成正比，與平板厚度δ成反比，還與平板材料的性質(zhì)有關(guān).熱傳導(dǎo)的基本公式可用下式表示：

式中：λ為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，是反映材料自身熱傳導(dǎo)能力大小的物理參數(shù).熱傳導(dǎo)系數(shù)λ與比熱容成反比，λ越高，其比熱容的數(shù)值就越低.從公式可見，熱傳導(dǎo)系數(shù)λ越高、熱傳遞面積A越大，傳輸?shù)木嚯x（即平板厚度）δ越短，那么熱傳導(dǎo)的能量就越大，也即熱量越容易被帶走.然而，大多數(shù)鋁基板中間須設(shè)置隔離銅與鋁板的絕緣層，以前是環(huán)氧樹脂做的，其熱傳導(dǎo)系數(shù)約為0.2～0.5W／（m·℃），近來推出的納米陶瓷絕緣層熱傳導(dǎo)系數(shù)也較大，約為0.8～1.2W／（m·℃），熱阻仍較大，熱傳導(dǎo)性能還是無法使整個(gè)熱傳導(dǎo)通道暢通，LED器件中電子與空穴復(fù)合聚集的熱量從LED到鋁基板熱傳導(dǎo)通道受阻仍較大.實(shí)測(cè)5WLED射燈發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)溫度與燈殼溫度甚至達(dá)到10℃以上，可見其熱傳導(dǎo)性能較差.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如表1.

表1 5WLED射燈焊點(diǎn)溫度與燈殼溫度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（環(huán)境溫度28℃）Table 1 Measured data（ambient temperature 28 ℃）for 5WLED spotlight solder temperature and its shell temperature

2.2 絕緣性能差

為了減小熱阻，絕緣層厚度只能做得很薄，鋁基板中的絕緣層厚度一般只有75μm，這樣就易引起絕緣被擊穿的問題.目前不少廠家生產(chǎn)的鋁基板，絕緣強(qiáng)度有限，原因是生產(chǎn)環(huán)境和工藝不理想，孔和鋁基板邊緣有毛刺，絕緣層易受損.在厚度相同情況下，擊穿電壓只能達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品的1／4～1／5.國(guó)外要求LED燈具的耐擊穿電壓高達(dá)直流4000V，歐盟甚至要求達(dá)到直流6000V［9］.用高壓測(cè)試儀實(shí)測(cè)一款國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用較多的鋁基板，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在鋁基板中心上下兩面擊穿電壓僅達(dá)到900V，邊緣處上下兩面擊穿電壓僅600V，甚至國(guó)標(biāo)都難以達(dá)到.

2.3 剝離強(qiáng)度低

剝離強(qiáng)度是指粘貼在一起的材料，從接觸面進(jìn)行單位寬度剝離時(shí)所需要的最大力.剝離角度分為90°或180°，單位 N／mm.鋁基板由膠水粘結(jié)，粘結(jié)力小，剝離強(qiáng)度僅1.8N／mm.在機(jī)械強(qiáng)度和防震要求高的環(huán)境采用鋁基板是有隱患的.

3 陶瓷基片的優(yōu)勢(shì)

為克服鋁基板的缺陷，研制了陶瓷基片，該基片具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)、絕緣與氣密性能，已成功應(yīng)用于功率電子組件、電子封裝組件、微電子與多芯片模塊等領(lǐng)域.其擊穿電壓高，高頻性能突出，具有熱傳導(dǎo)系數(shù)高、化學(xué)性能穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好和熔點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn).陶瓷基片適用于解決LED的散熱問題［10］.氧化鋁基片是最常用的基片材料，在機(jī)械、熱、電、化學(xué)性能上比大多數(shù)其他氧化物陶瓷更穩(wěn)定，且原材料來源豐富，適用于加工成不同形狀，滿足不同用途的需要.

3.1 陶瓷基片并不是陶瓷鍍銅

大部分陶瓷材料熔點(diǎn)高、硬度高，限制了對(duì)陶瓷材料進(jìn)行機(jī)械加工的可能性，因此制造高純度的陶瓷基片是較困難的.制造陶瓷基片常常摻雜熔點(diǎn)較低的玻璃用于助熔，隨后送入高溫?zé)Y(jié).關(guān)鍵在于陶瓷材料與金屬的燒結(jié)，也即陶瓷與金屬的連接.陶瓷基片并不是陶瓷鍍銅，因?yàn)殄冦~或鍍金屬都是化學(xué)反應(yīng)過程，在陶瓷表面產(chǎn)生的金屬膜不到10μm，金屬膜厚了容易脫落，金屬膜太薄則焊接后附著力不夠，易剝離，陶瓷鍍銅不能作為L(zhǎng)ED 的陶瓷基片［11］.

3.2 陶瓷與金屬兩種材料相互擴(kuò)散形成穩(wěn)定的金屬滲透梯度層

研發(fā)的陶瓷基片是陶瓷與銀兩種材料相互擴(kuò)散形成穩(wěn)定的金屬滲透梯度層.在陶瓷材料表面及內(nèi)部進(jìn)行金屬化處理，使陶瓷材料內(nèi)部含有金屬成分，深度達(dá)到數(shù)十微米（μm），金屬分子與陶瓷分子相互擴(kuò)散，形成穩(wěn)定的金屬滲透梯度層，使陶瓷與金屬兩種材料結(jié)合在一起.這種結(jié)合方法需要較高的壓力與溫度.采用本研發(fā)者具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)后，用特殊燒結(jié)方式，不需要高壓就能使陶瓷預(yù)金屬化，目前已能達(dá)到批量生產(chǎn).過程如下［12］：

3.2.1 絲網(wǎng)印刷 先制造與LED焊接線路形狀一致的模版，在絲網(wǎng)上涂感光膠，把模版放在感光膠上，用曝光機(jī)曝光.絲網(wǎng)上模板未被遮住的部分曝光，感光膠凝固，遮住部分的感光膠沒有凝固；用水沖洗，洗去未曝光部分，再用銀漿作為油墨，將絲網(wǎng)放置在陶瓷基片上，把銀漿印在陶瓷基片上，由于絲網(wǎng)上模板被遮住部分是透空的，銀漿被印在陶瓷基片上相應(yīng)位置，而其余部分有膠封住，銀漿便沒有印上.

3.2.2 陶瓷燒結(jié) 將印刷好的陶瓷基片在陶瓷燒結(jié)爐中燒結(jié).漿料必須具有合適的粘度和觸變性（即粘度隨外力而改變的性質(zhì)）.固體微粒是厚膜的組成部分，決定膜的性質(zhì)和用途.載體在燒結(jié)過程中分解逸出.載體中至少含有三種成分：樹脂或聚合物粘合劑、溶劑和表面活化劑.粘合劑為漿料提供基本的流變特性.溶劑稀釋樹脂，隨后揮發(fā)掉，以使印刷圖樣干涸.活化劑使固體微粒被載體浸潤(rùn)并適當(dāng)分散于載體中，進(jìn)而銀漿與陶瓷基片間形成良好的熔合，在燒結(jié)后形成銀的燒結(jié)層面即銀箔.燒結(jié)后的銀箔高出陶瓷基片15～20μm.由上述工藝制成的LED陶瓷基片，可作為L(zhǎng)ED的載體，具有較好的電氣絕緣和熱傳導(dǎo)性能，并兼?zhèn)漭^理想的剛性和耐腐蝕性能，符合歐盟限制有害物質(zhì)指令（RoHS）環(huán)保的要求.目前采用氧化鋁與氮化鋁兩種材料的陶瓷基片，已應(yīng)用于LED燈具中.

4 陶瓷基片性能的測(cè)試

4.1 熱傳導(dǎo)性能測(cè)試

試驗(yàn)采用厚度為0.5mm的氧化鋁陶瓷基片，陶瓷基片散熱的5WLED射燈［13］焊點(diǎn)溫度與燈殼溫度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如，表2.

表2 采用陶瓷基片散熱5WLED射燈焊點(diǎn)溫度與燈殼溫度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（環(huán)境溫度35℃）Table 2 Measured data（ambient temperature 35℃）for 5WLED with ceramic substrate heat dissipation spotlight solder temperature and its shell temperature

由表2可見，采用陶瓷基片可有效降低熱阻，在熱平衡時(shí)溫度僅為1℃左右.起關(guān)鍵性作用的是陶瓷的熱傳導(dǎo)系數(shù)，數(shù)值愈高散熱能力愈好.在LED領(lǐng)域散熱基板最主要的作用就在于有效地將熱能從LED芯片傳導(dǎo)到環(huán)境中，降低LED芯片溫度，增加發(fā)光效率，延長(zhǎng)LED壽命.散熱基板熱傳導(dǎo)系數(shù)成為業(yè)界在選用散熱基板時(shí)，重要的評(píng)估依據(jù)之一.常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)，如表3.

表3 常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)Table 3 Thermal conduction coefficients for commonly used material

可見陶瓷基片的導(dǎo)熱性能比鋁基板強(qiáng)10～30倍.

4.2 絕緣性能測(cè)試

分別在基片中心點(diǎn)的上下面和在基片邊緣處用高壓測(cè)試儀以3kV以高壓脈沖連續(xù)電擊30s，均沒有發(fā)生擊穿，基片的最高能耐壓可達(dá)28kV.

4.3 氧化鋁陶瓷基片具有優(yōu)良的抗熱震性能

金屬層與氧化鋁陶瓷之間的抗剝離強(qiáng)度較大，達(dá)到6.5～18N／mm，是鋁基板的4～10倍.

4.4 LED燈具的測(cè)試

用陶瓷基片等復(fù)合技術(shù)制成的8WLED日光燈，經(jīng)浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)檢測(cè)的數(shù)據(jù)如表4～6.

表4 用陶瓷基片復(fù)合技術(shù)3528制成8WLED日光燈的光通量lm檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 4 Luminous flux measurement data（lm）for 8W LED daylight lamp made with ceramic substrate composite technology 3528

表5 用陶瓷基片復(fù)合技術(shù)3528制成8WLED日光燈的焊點(diǎn)溫度℃（環(huán)境溫度25℃）Table 5 Solder temperature detection data（℃）（ambient temperature 25℃）for 8WLED daylight lamp made with ceramic subtrate composite technology 3528

表6 用陶瓷基片復(fù)合技術(shù)3528制成8WLED日光燈的外殼溫度℃（環(huán)境溫度25℃）Table 6 Case temperature（℃）（ambient temperature 25℃）for 8WLED daylight lamp made with ceramic substrate composite technology 3528

這里L(fēng)ED日光燈由于是內(nèi)置式電源，其熱源還包括電源裝置的發(fā)熱，故焊點(diǎn)與外殼兩者溫度有一定差距.下圖為L(zhǎng)ED陶瓷基片焊接的3528實(shí)物圖片.

圖6 陶瓷基片焊接的3528實(shí)物圖片F(xiàn)igure 6 3528physical picture welded with LED ceramic substrate

5 結(jié) 語

陶瓷基片以其獨(dú)特的性能應(yīng)用于絕緣散熱載體，在很多方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁基板，而自身又具有顯著的抗熱震性能和熱穩(wěn)定性能，對(duì)提高發(fā)熱量大的電子器件的穩(wěn)定性有明顯的作用.陶瓷基片中的氧化鋁陶瓷基片由于導(dǎo)熱性、絕緣性、高頻性以及抗震動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)，在LED散熱以及大功率、高密度封裝器件的散熱過程中擔(dān)當(dāng)了重要的角色.作者在研制和組織批量生產(chǎn)過程中取得專利三項(xiàng)［11-13］，其中發(fā)明專利兩項(xiàng).陶瓷基片代替鋁基板有廣闊的應(yīng)用價(jià)值，采用此方式，價(jià)格已經(jīng)與鋁基板相近，適合用于制作大功率的LED路燈、投光燈、工礦燈［14］.

［1］陳元燈，陳 宇.LED制造技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1992：14.

［2］NARENDRAN N，GU Y M.Life of LED－based white light sources［J］.IEEE J Disp Tech，2005，1：167－171.

［3］ARIK M，PETROSKI J，WEAVER S.Thermal challenges in the future generation solid state lighting applications：Light emitting diodes［C］／／IEEE Inter society Conference on Thermal Phenomena.HaWaii，USA：美國(guó)夏威夷國(guó)際會(huì)議錄，2001：113－120.

［4］向建化.大功率LED微小型相變熱沉制造及性能研究［D］.華南理工大學(xué)，2010.

［5］蘇 達(dá).大功率LED封裝散熱性能的若干問題研究［D］.浙江大學(xué)，2008.

［6］方 亮，鐘前剛，何 建，等.大功率LED封裝用散熱鋁基板的制備與性能研究［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2011（2）：3.

［7］WANG X H.Study on system level thermal management and mechanism of heat dissipation enhancement for tunnel LED［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2012.

［8］李 鵬.發(fā)光二極管（LED）燈具的熱分析與散熱設(shè)計(jì)［J］.光源與照明，2008（4）：89－91.

［9］夏于紅，羅渝東.大功率LED路燈散熱模擬與優(yōu)化［J］.黑龍江科技信息，2010（6）：38－39.

［10］甄海威.陶瓷基片在LED散熱中的應(yīng)用［J］.高工LED技術(shù)與應(yīng)用，2012（1）：23－25

［11］何永祥，甄海威.陶瓷、鋁、多孔銅的復(fù)合材料：中國(guó)，201110242571.2［P］.2011－08－23.

［12］何永祥，沈穎玲.一種采用多孔金屬材料作為散熱裝置的大功率發(fā)光二極管：中國(guó)，200610154940.1［P］.2006－11－30.

［13］何永祥，甄海威，沈穎玲.一種采用陶瓷載體的LED燈：中國(guó)，201220094135.5［P］.2012－03－14.

［14］陳桂梅.陶瓷基板＋多孔銅技術(shù)悄然問世［N］.照明周刊，2012（3）：188－189.