大功率固态照明热处理技术进展.doc

1、固态照明简述 ??? 通常，我们将采用了LEDs、OLEDs或发光聚合物技术的照明应用称作固态照明。固态照明是近百年来照明技术的真正革命。由于半导体材料将电能直接转化为光，所以固态照明具有与传统照明光源最大的不同在于它的光线不会产生热量。LEDs在它30多年的发展历史中，一直主要作为指示应用，而直到最近才有所突破，在一些照明领域开始局部的应用。 ??? 固态照明的研究领域包括七个方面：基础结构、封装结构、寿命、量子效率、可靠性和可控性、降低造价。本文所介绍的主要着眼于封装结构中的热处理技术。 ??? 本文所称大功率固态照明光源，仅限于单元光通量在50流明以上的照明用白光LED，即包括高亮度白光LED（单元光通量大于50lm小于250流明）和超高亮白光LED（单元光通量大于250流明）。 ??? 2、固态照明的热问题及其影响 ??? 为了适应通用照明的需要，固态照明光源迫切需要解决单元光通量的问题。图2.1表明，近年来，LED单元光通量的增幅还是很大的。然而每单元光通量的增加伴随着每单元发热量的增加，而热量的增加又带来相应的问题。主要表现为几个方面：发光效率随着结温的升高而降低、光色随着结温的升高而漂移、LED封装结构随着热量的增加而产生机械强度问题、为了散热使得单元的体积增加。 ??? 固态照明光源热的问题关系重大，据有关资料分析，大约70%的故障来自于LEDs的温度过高，并且在负载为额定功率的一半的情况下，温度每升高20oC，故障率就上升一倍。 ??????????? ??? 2.热的产生 ??? 与传统光源一样，固态照明光源工作期间也会产生热量，其多少取决于量子效率。我们可以回顾一下固态照明光源的热量产生机制。如图2.2、图2.3所示，在外加能量作用下，电子和空穴的辐射复合而发生的电致作用将能量的30-35%转化为光能（量子效率），而非辐射复合发生的点阵振动将其余65-70%的能量转化为热能。 ???????? ? ??? 2.2热的影响 ????2.2.1 ??? LED对温度敏感，一般来说，结温要保持在125oC以下以避免性能下降甚至失效。事实上，即使结温在125oC以下，寿命和输出光通也会随着温度的升高而下降。如何保持LED工作温度较低以获得更高的可靠性和光学指标就取决于基板材料的热传导性能。图2.4表明了结温与发光效率的关系。 ????????????? ??? 2.2.2 ??? 同时，结温与LED的光色也有关系（如图2.5所示）。一般而言常温下的光色最为纯正，而结温升高或降低都会造成光色的漂移。不同波长的光对温度的敏感性不同，绿光的敏感性最高，蓝光最不敏感。无论如何，光色的漂移将使得色温难以稳定，影响白光LED的光学性能。 ???????????? ??? 2.3?? LED热的传导和疏散 ??? 通常来说，固态照明光源需要解决如下几个环节的散热问题： ??? 其一、芯片结到外延层； ??? 其二、外延层到封装基板； ??? 其三、封装基板到外部冷却装置。 ??? 这三个环节构成固态照明光源热传导的通道，热传导通道上任何薄弱环节都会使热导设计毁于一旦。 ??? 结点到周围环境的热传导方式可分为三种： ??? 1、传导。热量是通过逐个原子传递的，故绝对不能采用高界面热阻的材料。 ??? 2、对流。热量通过流转的液体（空气、水）扩散和对流，再从散热器传递到周围环境中去，故不要限制或阻止对流。 ??? 3、辐射。热量依靠电磁波经过液体、气体和真空传递，故需要高辐射材料。 ??? 总之，为了取得更好的导热效果，首要的是，三个环节上都需要采用热导系数高的材料。 ???????????? ??? 2.4热参数匹配 ??? 高热导性能使得LED芯片结的热量可以较快地传导和散发出去，然而材料的热胀冷缩也是LED封装的一个值得考虑的问题。为了更可靠起见，还必须考虑材料的热膨胀系数（TCE）的匹配问题。LED外延材料与封装材料之间热膨胀系数（TCE）的差异可能导致LED芯片和封装之间的开裂，进而导致发光失效或导热减弱。 ??? 众所周知，大功率LED结温相当高，在基材上形成的热压分布是不均匀的，如图2.6所示 ???????????? 因为不同材料的热膨胀系数有较大的差异，在一定的温度下，热膨胀系数的差异就有可能导致LED封装结构的破裂。图2.7显示了这一问题的后果。 ???????????? ??? 热压超过抗张强度的极限，连接芯片的材料内部就会发生机械裂缝，导致焊层分离。 ??? 由于TCE不匹配的问题，超过350摄氏度，就会发生开裂。 ??? 表2.2列出了常见材料的TCE值。由表可见，铜和铝等常用封装材料与常见LED外延材料相比，其TCE有较大的差距，容易造成封装结构的损坏。美国Lamina陶瓷公司研究开发的