提高小功率白光LED熱特性的新方法(已發(fā)表)

1、 本文由wang_jie_wei貢獻(xiàn) doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 電 子 元 件 與 材 料 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS 研究與試制 提高小功率白光 LED 熱特性的新方法 宋國(guó)華 ，王瑋 ，姜斌 ，繆建文 ，紀(jì)憲明 (1.南通大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南通 226007; 2南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019 3. 南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南通 226007) 摘要: 提出了一種基于環(huán)氧樹(shù)脂中添加氮化硼 （BN） 填料的改進(jìn)型 LED 摘要: 在傳統(tǒng)直插式 LED 封裝方法的基礎(chǔ)上，

2、 封裝工藝。 測(cè)量了 BN 填料質(zhì)量比與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系， 利用有限元分析軟件分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試了采用改進(jìn)封裝工藝 5 mm 白光 LED 的芯片結(jié)溫、 熱阻等參數(shù)， 并與傳統(tǒng)封裝方法的白光 LED 進(jìn)行比較。 結(jié)果表明： 采用改進(jìn)型封裝結(jié)構(gòu) 5 mm 白光 LED 結(jié)溫比傳統(tǒng)封裝方式下降 4.5，熱阻下降了 17.8%，同時(shí)提高了初始光通量，降低了光衰。 關(guān)鍵詞: 關(guān)鍵詞: 白光 LED；氮化硼；熱阻；有限元熱分析 中圖分類號(hào): 中圖分類號(hào): TN383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào): 文章編號(hào): 1 1 2 3 1 New method to improve the thermal ch

3、aracteristics of low-power white LED SONG Guohua1 ,WANG Wei1, JIANG Bin2,MIAO Jianwen3,JI Xiangming1 (1. School of Science, Nantong University, Jiangsu Nantong 226007; 2. School of Electronics and Information, Nantong University, Jiangsu Nantong 226007; 3. School of Chemistry and Chemical Engineerin

4、g, Nantong University, Jiangsu Nantong 226007, China) Abstract: On the base of traditional packaging technique of through-hole LED, an improved packaging using epoxy resin doped with BN fillers was presented. Thermal conductivity of epoxy resin doped with different mass ratio of BN fillers was studi

5、ed. Through thermal analysis based on ANSYS software for 5 mm white LED, the junction temperature and heat resistance of improved packaging were compared with traditional technique. While increasing the initial flux, reducing the lumen, the result shows that the improved packaging 5 mm white LEDs ju

6、nction temperature drops by 4.5, and heat resistance is 17.8% lower than tradition ones. Key words: white LED; BN；heat resistance；finite element thermal analysis 近年來(lái)，隨著 LED 技術(shù)的飛速發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng) 域的不斷拓寬，高水平的 LED 封裝技術(shù)成為巨大的 市場(chǎng)訴求。 作為 LED 產(chǎn)業(yè)下游鏈的 LED 封裝， 在完 成驅(qū)動(dòng)電流的輸入輸出、保護(hù)芯片避免機(jī)械、熱、 潮濕等外部沖擊的同時(shí)，芯片在正常工作條件下應(yīng) 保證其溫度不超過(guò)特定閾

7、值，因?yàn)樾酒Y(jié)溫升高到 一定的值后，會(huì)發(fā)生明顯的壽命縮短、光效下降等 現(xiàn)象，甚至?xí)?dǎo)致 LED 猝滅 13 藝流程及市場(chǎng)價(jià)格因素，直插式 5 mm白光LED目 前仍占有相當(dāng)大的市場(chǎng)份額，因此研究新型封裝結(jié) 構(gòu)及方法，提高直插式 5 mm白光LED散熱能力具 有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文在不改變小功率直插式 5 mm白光LED封裝結(jié)構(gòu)、工裝夾具和封裝設(shè)備的 前提下，在環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料中引入了散熱性能良 好的氮化硼（BN）填料，提高封裝材料的散熱能力， 采用二次封裝流程，制作出熱特性優(yōu)良的直插式 。 直插式白光LED由于金屬支架散熱能力有限， 同 時(shí)封裝所用環(huán)氧樹(shù)脂可近似看作絕熱材料，這使得 LED芯片

8、極易產(chǎn)生熱量集聚現(xiàn)象， 導(dǎo)致芯片的結(jié)溫升 高，降低LED多項(xiàng)性能參數(shù)34。由于生產(chǎn)設(shè)備、工 5 mm白光LED。 1 1.1 實(shí)驗(yàn) 主要材料與儀器 宋國(guó)華等:提高小功率白光 LED 熱特性的新方法 六方氮化硼粉:遼寧營(yíng)口遼濱精細(xì)化工有限公 司產(chǎn)品。環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料:上海固德科技科技有限 公司生產(chǎn)的6000A/B 環(huán)氧樹(shù)脂電子灌封膠。 Sartorius-BSA124S 型 高 精 度 分 析 天 平 ， DZF6030A型真空干燥箱， ZW900LED型光電色參數(shù) 綜合測(cè)試儀，TC-1型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀。 1.2 試樣制備 在填料選擇方面，為適應(yīng) 5 mm白光LED封裝 要求，填料應(yīng)為白色、絕緣

9、、且具有優(yōu)良的機(jī)械加 工性能，相對(duì)傳統(tǒng)廉價(jià)的導(dǎo)熱材料氧化鋁，六方氮 化硼具有導(dǎo)熱性能更佳、硬度低易加工等優(yōu)點(diǎn)；而 導(dǎo)熱效果同樣優(yōu)異的材料氮化鋁， 存在著硬度過(guò)高、 顏色偏黃/灰、機(jī)械加工困難，且價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)， 故不予采用。 將環(huán)氧樹(shù)脂6000A料和B料按質(zhì)量比11混合， 向環(huán)氧樹(shù)脂中加入BN粉末填料， 填料分別為試樣總 質(zhì)量的8%-60%。充分?jǐn)嚢韬笳婵粘?，溫?25 下固化45分鐘， 然后打磨制成直徑13mm、 厚度4mm 規(guī)格含BN填料的環(huán)氧樹(shù)脂圓片， 用以測(cè)量混合材料 的導(dǎo)熱系數(shù)。 傳統(tǒng)直插式 5 mm白光LED外部均使用環(huán)氧樹(shù) 脂封裝，而本實(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)工藝加以改進(jìn)，以反射碗 為界線，

10、反射碗以上部分采用傳統(tǒng)工藝用透明環(huán)氧 樹(shù)脂封裝，待環(huán)氧樹(shù)脂固化后在反射碗下半部分用 摻BN環(huán)氧樹(shù)脂材料進(jìn)行封裝。圖1(a)是傳統(tǒng)封裝結(jié) 構(gòu)示意圖，圖1(b)是改進(jìn)后的封裝結(jié)構(gòu)示意圖。 （b）改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu) 圖1 傳統(tǒng)封裝（a）和改進(jìn)后封裝（b）結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structure chart of traditional (a) and improved (b) packaging 2 結(jié)果與分析 （a）傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu) 2.1 導(dǎo)熱系數(shù)與 質(zhì)量百分比關(guān)系 導(dǎo)熱系數(shù)與BN質(zhì)量百分比關(guān)系 圖2是含BN填料環(huán)氧樹(shù)脂圓片的導(dǎo)熱系數(shù)與BN 填料質(zhì)量比關(guān)系圖。添加BN填料前環(huán)氧樹(shù)脂的本征 導(dǎo)熱系數(shù)僅為0

11、.23W/m·K5， BN的本征導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 6 121 W/m·K 。加入不同質(zhì)量比BN填料后，材料導(dǎo)熱 系數(shù)會(huì)有不同程度的提高，從圖1中可以看出不同摻 混比例對(duì)應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)值的變化趨勢(shì)。BN填料含量在 20%之前趨勢(shì)平緩，其原因可能是在填加BN填料粉 末相對(duì)較少的情況下，絕大多數(shù)BN填料顆粒之間未 有直接接觸，彼此之間包覆著環(huán)氧樹(shù)脂，因環(huán)氧樹(shù) 脂本身導(dǎo)熱系數(shù)很低，使得各導(dǎo)熱填料顆粒之間的 界面熱阻變大，從而使試樣整體的導(dǎo)熱性能維持在 一個(gè)較低的水平上，導(dǎo)致試樣的導(dǎo)熱系數(shù)增加相對(duì) 較慢。當(dāng)BN填料含量在20%50%之間時(shí)，導(dǎo)熱系 數(shù)增加明顯加快，是因?yàn)殡S著導(dǎo)熱填料BN 粉末

12、填充 質(zhì)量比的增加，環(huán)氧樹(shù)脂中的BN填料顆粒的接觸機(jī) 會(huì)逐漸增加，這樣在試樣中逐漸形成了由 BN填料顆 粒搭成的導(dǎo)熱“網(wǎng)絡(luò)”，熱流沿這一“網(wǎng)絡(luò)” 迅速傳遞， 從而使試樣的導(dǎo)熱系數(shù)有了顯著的提高6，當(dāng)BN填 料含量為48.7%時(shí)， 導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最大值3.35W/m·K， 是環(huán)氧樹(shù)脂本征導(dǎo)熱系數(shù)的16倍以上。但當(dāng)BN填料 含量大于50%之后導(dǎo)熱系數(shù)急劇下降，其原因是：隨 著B(niǎo)N含量的增加， 試樣中BN與環(huán)氧樹(shù)脂由于抽真空 后仍存在氣泡甚至間隙，不能形成良好的導(dǎo)熱“網(wǎng) 絡(luò)”，以致導(dǎo)熱性能急劇下降。 宋國(guó)華等:提高小功率白光 LED 熱特性的新方法 3.40 3.35 Thermal con

13、ductivity cofficient / W/mK 3.30 3.25 3.20 3.15 3.10 3.05 3.00 2.95 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Mass ratio of BN fillers 圖2 導(dǎo)熱系數(shù)與BN填料質(zhì)量比的關(guān)系 Fig.2 Relationship between thermal conductivity coefficient and different mass ratio of BN fillers （b）改進(jìn)封裝 圖3 傳統(tǒng)封裝（a）和改進(jìn)封裝（b）模型網(wǎng)格劃分圖 Fig.3 Mesh generation of tr

14、aditional (a) and improved (b) packaging 環(huán)境溫度為 24 ，芯片熱源的功率為 0.06 W， 熱生成率設(shè)定為 85%。金屬引腳作為主要散熱源， 其外表面空氣對(duì)流系數(shù)設(shè)定為 8W/m 2·K，改進(jìn)封裝 BN 材料導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為 3.35W/m·K。 LED 內(nèi)部材料 之間通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱，服從傅里葉傳熱定律； 模型外部熱量通過(guò)與空氣自然對(duì)流進(jìn)行散熱，服從 牛頓冷卻定律8。圖 4 中（a）和（b）分別為傳統(tǒng)封 裝和改進(jìn)封裝的直插式 5 mm 白光 LED 溫度分布云 圖。由兩種封裝結(jié)構(gòu)的熱模擬結(jié)果對(duì)比可知：在環(huán) 境溫度為 24的工作條

15、件下，添加了 BN 填料的改 進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)理論上可降低 LED 芯片工作結(jié)溫約 4， 原因在于傳統(tǒng)封裝主要依靠陰極引腳散熱，而改進(jìn) 封裝由于反射碗以下均采用含 BN 填料的環(huán)氧樹(shù)脂， 在引腳周?chē)黾恿擞行У目諝鈱?duì)流界面，同時(shí)加強(qiáng) 了陰極陽(yáng)極引腳的協(xié)同散熱，降低了 LED 芯片的工 作溫度和白光 LED 器件的熱阻。 （a）傳統(tǒng)封裝 （a）傳統(tǒng)封裝 宋國(guó)華等:提高小功率白光 LED 熱特性的新方法 A 組 傳 統(tǒng) 封 裝 白 光 LED 的 初 始 光 通 量 為 5605mLm，經(jīng)過(guò) 20 天的連續(xù)電流應(yīng)力加速老化，衰 減為 3217 mLm，是初始光通量的 57.4%；而 B 組改 進(jìn)封裝白光

16、 LED 初始光通量為 5838mLm，20 天加 速老化后，衰減為 3615 mLm，是初始光通量的 61.9%。采用改進(jìn)封裝的直插式 5 mm 白光 LED 由 于芯片散熱環(huán)境的改善，使得結(jié)溫小于傳統(tǒng)封裝方 式的結(jié)溫，不僅使初始光通量提升，而且光通量衰 減速率得以下降。 3 結(jié)論 （b）改進(jìn)封裝 圖4 傳統(tǒng)封裝（a）和改進(jìn)封裝（b）熱模擬分布圖 Fig.4 Temperature distribution for traditional (a) and improved (b) packaging 通過(guò)對(duì)小功率 LED 封裝工藝的改進(jìn)，采用導(dǎo)熱 能力良好的 BN 材料作為導(dǎo)熱填充劑， 在環(huán)

17、氧樹(shù)脂材 料中摻入合適比例的 BN，采用二次封裝流程，制作 出芯片結(jié)溫、引腳溫度和熱阻均低于傳統(tǒng)封裝方式 的直插式 5 mm 白光 LED， 而且提高了初始光通量， 降低光衰，延長(zhǎng)了發(fā)光二極管壽命。該改進(jìn)型封裝 方法不需要改變傳統(tǒng)封裝的設(shè)備和工裝夾具，方法 簡(jiǎn)單，易于推廣。、20mA額定驅(qū)動(dòng)電 流下測(cè)量白光LED穩(wěn)定引腳溫度、結(jié)溫，計(jì)算熱阻， 結(jié)果見(jiàn)表1，其中結(jié)溫的測(cè)試原理和裝置見(jiàn)參考文獻(xiàn) 912 ，測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果為3個(gè)樣品數(shù)據(jù)的平均值。 表 1 A、B 兩組 LED 溫度和熱阻參數(shù)對(duì)照表 Tab.1 LED temperature and heat resistance of A and B

18、samples 將實(shí)測(cè)LED引腳溫度及計(jì)算所得芯片結(jié)溫與圖 4中ANSY熱模擬仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者數(shù)據(jù) 基本吻合，從而驗(yàn)證采用改進(jìn)封裝的直插式 項(xiàng)目 A組 B組 環(huán)境溫 度() 24 24 引腳溫 度() 33.5 30.0 芯片溫 度() 44.5 40.0 熱阻 (/W) 324.4 266.7 參考文獻(xiàn) Burgess. LED update: Alternate packaging improves white LEDsJ. Photonics Spectra, 2005, 39(7): 118-119. 2 Jun-ho Yum, Soo-Yeon Seo, Seonghoon

19、 Lee, et al. Y3Al5O12:Ce0.05 phosphor coatings on gallium nitride for white light emitting diodesJ. Journal of the Electrochemical Society, 2003, 150(2): H47-H52. 3 錢(qián)可元, 胡飛, 吳慧穎, 等. 大功率白光 LED 封裝技術(shù)的研究 J. 半導(dǎo)體光電, 2005, 26(2): 118-120. 4 虞倩倩, 梁超, 何錦華. 白光 LED 封裝工藝研究 J. 中國(guó)照明電器， 2010,1,16-18. 5 張秀菊, 李波, 林志丹, 等. 電子封裝用復(fù)合導(dǎo)熱絕緣環(huán)氧膠粘劑的 研制 J. 絕緣材料, 2009,42(I ),1-4. 6 International Organization for Standardization. MIL-STD-750D Notice 3 Method 3101.3 Thermal Impedance(Response) Testing of Diodes S. 2006. 7 王立彬, 陳宇, 劉志強(qiáng), 等. 大功率倒裝結(jié)構(gòu) LED 芯