LED散熱用鏡面鋁不同表面處理的性能

杜元寶，張耀華，蔡曉寧,劉永福

(1.寧波升譜光電股份有限公司，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

引言

隨著大功率LED正向高電流度、高光通量發(fā)展，散熱問(wèn)題一直是急需解決的問(wèn)題。散熱效果的好壞直接影響到LED燈的壽命和發(fā)光效率。有效地解決大功率LED封裝器件的散熱問(wèn)題，對(duì)提高LED器件可靠性和壽命具有重要意義。普通絕緣層的鋁基板導(dǎo)熱系數(shù)在1～8 W/(m·K)。鏡面鋁是一種基于傳統(tǒng)PCB的熱電分離技術(shù)的高導(dǎo)熱鋁基板，導(dǎo)熱系數(shù)是137 W/(m·K)，大大地提高了LED芯片的散熱能力，是一款開(kāi)發(fā)出來(lái)專門用于大功率集成光源的一種基板材料。鏡面鋁基板不但具有硫化能力，而且散熱更快，鏡面反射率高達(dá)98%以上，LED光效也能顯著提高。目前采用鏡面鋁為基板的大功率LED封裝器件是LED芯片通過(guò)固晶工序直接貼在鏡面化處理的鋁基板上，不僅可把其他散光從基板底部給反射過(guò)來(lái)，提高光效，而且減少了中間的熱阻，熱量直接由芯片傳遞到散熱基板上，散熱性能得到顯著提高。目前鏡面鋁基板的鏡面反射主要是靠銀進(jìn)行反射，銀具有天然的高反射的特性，但其卻很容易被氧化，因此鍍層表面要進(jìn)行防氧化處理，防氧化鍍層目前主要有TiO2和SiO2組合以及TiO2和Al2O3組合兩種。這兩種鍍層在實(shí)際應(yīng)用中都會(huì)出現(xiàn)不同程度的鍍層脫落和高溫衰減以及硫化問(wèn)題，本文主要對(duì)TiO2和SiO2組合以及TiO2和Al2O3兩種鍍層失效的原因進(jìn)行分析，同時(shí)研究采用Nb2O5和Al2O3組合作為鏡面鋁表面的防氧化鍍層，同時(shí)在銀層表面增加一層粘接層來(lái)提高鍍層間結(jié)合力來(lái)改善鋁基板在防硫化、高溫衰減、鍍層結(jié)合力方面性能[1-3]。

1 理論依據(jù)

首先從與基片相鄰的底層膜開(kāi)始，將底層膜的兩個(gè)界面等效成一個(gè)界面，然后再將這個(gè)等效界面與上一個(gè)界面等效為一個(gè)界面，依次往上遞推到膜系的頂層的第一個(gè)界面，根據(jù)菲涅爾多層膜的系數(shù)遞推法如式(1)所示。

(1)

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)首先制備三種鏡面鋁材，襯底基材選用相同的1090純鋁作為基底，分別采用型號(hào)為EJEX°-1陽(yáng)極氧化和型號(hào)為XLT-106電鍍?cè)O(shè)備以及型號(hào)為CJ2500濺射設(shè)備在純鋁表面制備防氧化鍍層處理，復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)如圖1～圖4所示，其中粘接層厚度為200 nm，Al2O3和TiO2以及Nb2O5厚度為1 μm，銀層厚度為2 μm，鏡面鋁鍍層加工處理方式主要采用氧化、電化學(xué)、濺射及電子蒸鍍的處理方式，鏡面鋁樣品制備好后，首先將三種處理好的鏡面鋁的鋁材在高溫烘烤下做反射率測(cè)試，具體為在LED燈光照射的180 ℃高溫條件下持續(xù)烘烤2 000 h分別對(duì)三種鋁材做全反射測(cè)試、450 nm、550 nm單波長(zhǎng)反射率測(cè)試。其次，將三種鋁材制備成LED封裝基板，表面覆蓋一層硅膠做保護(hù)，將三種基板做防硫化測(cè)試，具體為將2 g純度為99%的硫粉分別和三種LED封裝基板一起放置密閉的容器中，150 ℃高溫持續(xù)烘烤4 h,觀察三種LED封裝基板的鏡面變化情況，最后通過(guò)百格測(cè)試對(duì)三種鋁材的復(fù)合鍍層進(jìn)行粘接力測(cè)試[4-7]。

圖1 TiO2和SiO2鍍層處理

圖2 TiO2和Al2O3鍍層處理

圖3 Nb2O5和Al2O3鍍層處理

圖4 LED鏡面鋁基板結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果與分析

3.1 高溫反射測(cè)試分析

1)在180 ℃烤箱(內(nèi)置LED燈光)持續(xù)烘烤2 000 h，三種表面處理全反射測(cè)試，見(jiàn)圖5。

圖5 三種表面處理全反射測(cè)試

2)在180 ℃烤箱(內(nèi)置LED燈光)持續(xù)烘烤2 000 h，在450 nm波長(zhǎng)的三種表面處理反射率測(cè)試，見(jiàn)圖6。

圖6 三種表面處理450 nm反射率測(cè)試

3)在180 ℃烤箱(內(nèi)置LED燈光)持續(xù)烘烤2 000 h，在550 nm波長(zhǎng)的三種表面處理的反射率測(cè)試，見(jiàn)圖7。

圖7 三種表面處理550 nm反射率測(cè)試

在高溫反射率測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)，三種防氧化復(fù)合鍍層在起始，反射率基本相同，但是隨著時(shí)間的加長(zhǎng)，反射率逐漸下降。Nb2O5和Al2O3的表面復(fù)合鍍層在高溫下全發(fā)反測(cè)試以及后面450 nm、550 nm單波長(zhǎng)的反射率測(cè)試衰減最小，表現(xiàn)最優(yōu)，TiO2和Al2O3的復(fù)合鍍層表現(xiàn)其次，采用TiO2和SiO2的復(fù)合鍍層高溫反射性能最低[8-10]。

導(dǎo)致TiO2和Al2O3以及TiO2和SiO2兩種防氧化鍍層高溫反射率下降快的原因，是由于TiO2是一種N型半導(dǎo)體材料，能帶是由一個(gè)充滿電子的低能價(jià)帶和一個(gè)空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成，禁帶寬度為3～3.2 eV, 與一個(gè)390 nm左右的光子能量相當(dāng)，臨近可見(jiàn)光短波部分。

圖8 TiO2鍍層氧化機(jī)制

圖9 TiO2紫外吸收光譜

當(dāng)可見(jiàn)光中的光子波長(zhǎng)低于390 nm時(shí)候，價(jià)帶的電子就會(huì)激發(fā)到導(dǎo)帶上，產(chǎn)生光生電子e-和光生空穴h+，形成的空穴h+和原子氧和氫氧自由基等強(qiáng)氧化劑和強(qiáng)活性離子，他們很容易透過(guò)下面的氧化層將銀層氧化，進(jìn)而與Ag發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化銀導(dǎo)致發(fā)黑問(wèn)題進(jìn)而影響光的發(fā)射，同時(shí)Al2O3表面羥基的沒(méi)有SiO2表面羥基豐富，因此更穩(wěn)定，因此TiO2和Al2O3復(fù)合鍍層抗氧護(hù)能力優(yōu)于TiO2和SiO2復(fù)合鍍層。Nb2O5是一種重要的N型寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度3.4 eV，可將光及近紅外都是透明的，但是Nb2O5致密性極好，是一種堆積密度近乎為1的高反射、高穩(wěn)定性的保護(hù)薄膜，在短波長(zhǎng)下比TiO2穩(wěn)定，更能阻隔可見(jiàn)光及空氣小分子的侵襲，防氧化能力更強(qiáng)。

3.2 防硫化測(cè)試分析

LED鏡面鋁基板硫化現(xiàn)象，指的是由于環(huán)境中的硫(S)元素在一定溫度與濕度條件下，其中-2價(jià)的硫會(huì)通過(guò)鏡面表面鍍層的微小縫隙逐步滲透進(jìn)入鍍層內(nèi)部與+1價(jià)的銀發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成黑色Ag2S的過(guò)程。銀對(duì)硫有很強(qiáng)的親和力，加熱時(shí)可以與硫直接化合成黑色的物質(zhì)Ag2S。硫化后LED器件會(huì)出現(xiàn)光效降低、顏色飄移，甚至出現(xiàn)芯片與基板表面脫離進(jìn)而引發(fā)死燈。

可見(jiàn)，鏡面鋁的防氧化鍍層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于LED器件的可靠性十分重要。本文實(shí)驗(yàn)首先將三種鋁材壓合成LED鏡面鋁基板，基板19 mm×19 mm大小，鏡面表面覆蓋一層甲級(jí)低折硅膠做保護(hù)，實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)三種基板進(jìn)行150 ℃、2 h除濕處理，然后放置在一個(gè)玻璃容器中，實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)玻璃容器進(jìn)行內(nèi)外部以及蓋子用酒精進(jìn)行清洗確保無(wú)膠體及其他污染殘留。清洗完成后將玻璃容器蓋上蓋子放置在150 ℃烤箱除濕30 min，容器除濕結(jié)束后，去除冷卻至室溫，稱取2 g硫粉(化學(xué)純)，實(shí)驗(yàn)前確認(rèn)硫粉無(wú)結(jié)塊、變色雜質(zhì)等異常，將其均勻的分散在玻璃容器的底部，將已經(jīng)處理處理的三種鋁材的切片放置在玻璃容器的底部，蓋上蓋子，并用高溫膠帶將蓋子四周密封，最后放置于150 ℃的烤箱，溫度儀表顯示150 ℃后，關(guān)閉烤箱門，持續(xù)烘烤4 h，時(shí)間到后取出樣片，100倍顯微鏡下觀察測(cè)試分析[11]。

表1 三種表面處理防硫化測(cè)試

在硫化測(cè)試上，采用Nb2O5和Al2O3的復(fù)合鍍層處理后，防硫化能力顯著提高，表面未出現(xiàn)黑色物質(zhì)硫化銀，而采用TiO2和SiO2處理的復(fù)合鍍層硫化最嚴(yán)重，TiO2和Al2O3出現(xiàn)輕微硫化問(wèn)題。

采用Hitachi 3400N及Horiba 7021-H設(shè)備對(duì)黑色物質(zhì)進(jìn)行SEM及EDX元素分析，確認(rèn)S元素的存在，黑色物質(zhì)為硫化銀，這說(shuō)明底層的金屬銀與S元素反應(yīng)后會(huì)向上遷移至鍍層表面如圖10、圖11所示。

圖10 黑色結(jié)晶物質(zhì)

圖11 黑色結(jié)晶物質(zhì)EDX元素分析

3.3 粘接力測(cè)試分析

對(duì)三種鋁材進(jìn)行鍍層粘接力測(cè)試，選用刀口寬度約為10～12 mm的百格刀橫向與縱向劃10×10(100個(gè))的正方形小格子，以1 mm為間隔，每一條劃線深及純鋁基材。用3M610膠帶先與鏡面貼合，在垂直方向(90°)迅速將膠帶拉開(kāi)，用顯微鏡觀察三種鋁材的鏡面鍍層的變化[12-14]。

表2 三種表面處理粘接力測(cè)試

在粘接力測(cè)試上，只有采用Nb2O5和Al2O3處理符合鍍層未出現(xiàn)鍍層脫落現(xiàn)象，其余兩組都出現(xiàn)了不同程度的鍍層脫落問(wèn)題，表明Nb2O5和Al2O3防氧化層下面的粘接層起到了增加鍍層間粘接力的效果。

4 結(jié)論

LED散熱用鏡面鋁基板鏡面表面鍍層采用Nb2O5和Al2O3的復(fù)合鍍層處理后，在LED燈光照射下180 ℃高溫下持續(xù)2 000 h的全反射測(cè)試、450 nm反射率測(cè)試、550 nm反射率測(cè)試，防硫化能力以及鍍層的粘接力三個(gè)方面的性能都明顯優(yōu)于目前采用的TiO2和Al2O3以及TiO2和SiO2的復(fù)合鍍層表面處理方式，可以為高可靠性、高反射涂層以及大功率LED封裝器件鏡面鋁基板的性能改進(jìn)等提供參考。