基于陶瓷基板led面光源研究

1LED光源有点光源和面光源之分，LED点光源属于传统封装形式,广泛应用于各个相关的领域,经过近四十年的发展,已形成一系列的主流产品形式。LED的面光源属于个性化封装形式,主要为一些个性化案例的应用产品而设计和生产,目前还没有形成主流产品形式但将会是未来几年的发展趋势。随着LED芯片功率的不断提高，大功率LED所面临的散热问题也越发严重。与白炽灯、卤钨灯不同的是温度升高非但不会增加效率，结温上升会大幅度下降效率，更高的结温更会使器件光输出明显随时间衰减，而使寿命降低。这样就会丧失LED寿命长、效率高的优点。由于芯片结温的高低直接影响到LED出光效率、色度漂离和器件寿命等参数，如何提高封装器件散热能力、降低芯片温度成为大功率LED结构设计中急需解决的关键技术环节。采用面光源技术，可以较好解决散热难题。与直插式和SMD封装技术相比，面光源封装不仅能够节约空间、简化封装作业，而且还能通过基板直接散热，从而具有更高效的热管理方式。此外，面光源封装不需要回流焊，从而可以避免高温对芯片造成伤害;同时，由于工艺简单，也降低了成本。本项目采用氮化铝基板，研制高效低热阻LED面光源，并完成基于低热阻LED面光源的新型灯具的产业化。通过软件分析，进行与氮化铝材料相匹配的封装胶的选择，同时对氮化铝基板模型设计，完成氮化铝LED面光源封装结构设计，最后试制出低热阻LED面光源。将若干颗大功率蓝光LED芯片固定在氮化铝基板上，通过对氮化铝结构设计、封装结构设计、灯具设计等方面的研究，试制出高性能的LED面光源灯具，并且直接可应用于LED吸顶灯、LED球泡灯、LED路灯、LED矿灯、LED无影灯等，产生重大的经济、社会效益。目前，淮安主要LED灯具生产企业有淮安市祥光电子电器有限公司、淮安麒麟电子有限公司等，企业的产品均存在不同程度的散热难题，因此，通过本项目的研究，解决企业产品散热问题，试制低热阻LED面光源，替换原来灯具产品中的点光源，提2高灯具产品性能与寿命。意义在成本上，与点光源灯具相比，面光源模块在照明应用中可以节省器件封装成本、光引擎模组制作成本和二次配光成本。在相同功能的照明灯具系统中，总体可以降低30%左右的成本，这对于半导体照明的应用推广有着十分重大的意义。在性能上,通过合理地设计和模造微透镜,面光源模块可以有效地避免点光源器件组合存在的点光、眩光等弊端,还可以通过加入适当的红色芯片组合,在不降低光源效率和寿命的前提下,有效地提高光源的显色性(目前已经可以做到90以上)。在应用上,面光源模块可以使照明灯具厂的安装生产更简单和方便。在生产上,现有的工艺技术和设备完全可以支持高良品率的面光源模块的大规模制造。随着面光源照明市场的拓展,灯具需求量在快速增长,我们完全可以根据不同灯具应用的需求,逐步形成系列面光源模块主流产品,以便大规模生产。传统的LED分立光源器件难以适应照明领域对性能、成本、应用配合和使用习惯的要求面光源模块将成为今后LED光源照明应用的主要封装形式。我们半导体照明产业界应当调整发展思路,做出相应的变革。研究不同照明应用的共性特点和系统的解决方案,形成若干种面光源模块主流产品形式并加以推广应用。5）项目组拥有LED面光源方面专利2项，分别是自检测自修正可维修多芯LED模组、光源可替换式LED手电筒。本项目研究国内外竞争情况及产业化前景。1）国际上LED面光源灯具性能优，价格高。东芝照明于2011年9月30日发布的LED灯泡“8.7W普通灯泡型”相当于60W白炽灯泡，日光色产品的总光通量为810lm、发光效率达到了93lm/W。为此，该产品采用了并排安装100余个数十mW等级小型LED的面光源结构大型封装。德国欧司朗公司与西门子公司合作开发面光源照明系统。采用面光源制作的LED灯具,外观好,参数准确，充分发挥出LED耗电量低、电压低、体积小、使用寿命长、高亮度低热量、无眩光、无辐射、抗震抗冲击性良好的优点,不产生有害物质,非常的环保节能。国外产品具有高效、长寿命等优点，但是由于其价格高等问题，目前市场占有率较少。2)、国内低端产品较多，价格便宜。国内LED面光源主要集中在中山等地，面光源散热问题比较严重，性能一般，寿命较低，价格较低。很多厂家还在争抢商业照明3和工程照明，还没真正涉及家用市场，LED家用LED照明市场目前处于发芽阶段，所以我们进行低热阻LED面光源的研究，灯具的产品主要定位在家用LED灯具上，如球泡灯、吸顶灯等，这有利于我们进入国内较高端市场。3)、省内LED面光源照明产品主要集中在扬州、镇江等地。对于家用市场来讲，辅助灯具（射灯、筒灯）产品实际上占总体家用灯具份额比重很少，而吸顶灯、球泡灯等几乎是每个城镇家庭必不可少的，所以省内对LED面光源灯具的需求将是非常大的。4)、本市目前能够自主研发基于面光源技术的LED灯具的单位非常少。所以我们利用实验室环境，以及淮安祥光电子电器有限公司合作开发基于低热阻LED面光源技术的研究与开发，并推向市场，给人们带来淮安企业研发的高效节能低成本LED灯具产品。与此同时，政府对此大力支持，也刺激了老百姓对LED的实际需求欲望，所以不久以后LED照明将成为未来最大的照明市场，所以本项目的产业化前景非常光明。二、项目内容1、主要研究内容：1）利用有限元仿真软件对面光源封装的热管理方案进行了优化分析通过对LED面光源封装中常用的陶瓷基板和金属基板这两类不同的基板材料进行有限元热仿真模拟，获得各自芯片到基板的仿真热阻，再使用红外热成像仪得到两种基板各自的表面温度分布情况并计算出实际热阻。仿真热阻与实际热阻的一致性表明了所采用的仿真计算方法的可用性。利用有限元仿真对面光源封装的热管理方案进行了优化分析。研究表明:相对于金属基板，陶瓷基板由于无绝缘层这一散热瓶颈，其芯片到基板的热阻值约为金属基板封装方案的1/2;而且陶瓷基板有着更大的热管理优化空间，能更好地满足大功率LED封装的散热需要。2）设计不同封装结构模型，利用ansys软件进行热学分析4图一面光源结构1（左）以及热阻模型（右）LED芯片用粘结胶粘合至线路板上，芯片电极直接焊接在线路板铜箔上，芯片顶部涂覆荧光粉，外部采用硅胶封装，线路板层通过粘结隔离层粘结材料与铝基板连接，铝基板涂覆导热硅脂，最终与铝制散热器结合。结构示意图见上图。图二面光源结构2（左）以及热阻模型（右）面光源结构2封装则在陶瓷基板上开槽，将LED芯片置于槽内。在垂直热通道上，芯片穿过铜箔、粘结隔离层，直接通过粘结胶焊接至铝基板。3）研究面光源控制电路本项目采用恒流驱动，本拟采用具有独立知识产权的供载电源对照明用多芯整体LED灯进行供电，AC220V无需降压直接整流滤波供电，无功损耗小，温度低，可提高直流输出的波形质量与负载能力。本项目在控制加入可调电阻，实现LED球泡灯的亮度随意调节。重点解决面光源技术中存在的重点问题，防止由于单科LED损坏造成的产品失效，在封装工艺中引入IC芯片，在单科LED损坏的时候不会影响整灯的工作（本技术已经申请专利）。4）培训基于低热阻LED面光源的封装技术人员5针对面光源封装技术人员缺乏，充分利用现有设备设施开展技术培训，培养了大批学技术、懂技术、用技术的新型封装技术人员。5）基于低热阻LED面光源技术新型灯具标准的制定制定适合各类灯具应用的面光源技术标准，撰写标准文稿，以便于更高的进行技术推广，起到示范作用。2、关键技术及创新点；1）关键技术；利用ansys热学分析软件建立氮化铝陶瓷基板散热模型热学设计总原则是使芯片、器件、灯具结构具有低热阻和高效的散热器使芯片上产生的热量，能通畅地传到散热器上，并有效散发到环境中去。散热能力的强弱重要指标就是热阻。热阻就是结构对热功率传输所产生的阻力。通常将两个节点之间单位热功率输所产生的温度差定义为该两个节点间的热阻，其公式如下：RT为两节点间的热阻；△T为两节点之间的温度；PD为两个节点之间的热功率流，热阻单位为℃/W为简化评价方法，规定上式另一个参数Pd为输入到LED的总电功率而不考虑光辐射功率及其他耗散功率，即上式Pd为输入到LED的总电功率，且仅考察芯片与外壳(或主要散热部分)之间的热阻。为了便于与完整概念下的热阻相区，此时的热阻称为参考热阻。此时的热阻称为“参考热阻”，用R'表示。“参考热阻”由于测量方便，复现性好，已越来越多地得到了应用。本文中的参考热阻为多芯片的平均热阻，平均热阻通过根据器件的平均结温(Tj)和封装内的总功耗(Q)来表示，即:R=(Tj-Tx)/Ph利用有限元计算软件ANSYS对简化后的3D模型进行计算，代入上式求得各种封装结构的“参考热阻”。各材料热导率如下表所示。6表一封装材料热导率图三氮化铝（右）与铝（左）基板热学模拟对比控制技术本项目采用恒流驱动，本拟采用具有独立知识产权的供载电源对照明用多芯整体LED灯进行供电，AC220V无需降压直接整流滤波供电，无功损耗小，温度低，可提高直流输出的波形质量与负载能力。本项目在控制加入可调电阻，实现LED球泡灯的亮度随意调节。重点解决面光源技术中存在的重点问题，防止由于单科LED损坏造成的产品失效，在封装工艺中引入IC芯片，在单科LED损坏的时候不会影响整灯的工作（本技术已经申请专利）。2）创新点1)设计热阻模型，利用ANSYS热学软件进行模拟仿真我们利用有限元分析，通过增大绝缘层材料的热导率及减小绝缘层厚度，对金属基板热管理方案进行优化黑线为基板热阻随金属基板的绝缘层热导率增大(取绝缘层厚度为0．16mm)和随绝缘层厚度减小所降低(取绝缘层热导为1W/(m·℃))的曲线，同时加入氧化铝陶瓷基板的热阻值(红线)以方便对比。7图四金属基板热阻与绝缘层热导率（左）以及绝缘层厚度的关系（右）关系从上图可以看出，随着绝缘层热导率的增大或绝缘层厚度的减小，金属基板的参考热阻呈递减趋势。若要使芯片到金属基板的热阻与芯片到陶瓷基板的热阻相接近，则绝缘层的热导率须增大至3W/(m·℃)以上或绝缘层的厚度小于40μm。若利用涂覆绝缘漆来达到金属基板表面的绝缘效果，减小绝缘层厚度一方面会影响绝缘效果，另一方面对绝缘漆的涂覆工艺也有更高的要求，同时绝缘漆的低热导率(目前多数绝缘漆热导率不高于1W/(m·℃))将直接限制整个金属基板的散热效果。因此，涂覆绝缘漆的金属基板的COB封装散热效果已趋于饱和，需通过其他表面绝缘工艺来降低总体热阻。对于陶瓷基板来讲，目前市面上用于LED封装的主要有氧化铝陶瓷和氮化铝陶瓷。利用有限元分析，将陶瓷基板的热导率从20W/(m·℃)递增至180W/(m·℃)(氧化铝到氮化铝)，可绘制出其热阻随基板热导率变化的曲线，如图6所示。从中可见，陶瓷基板的热阻随陶瓷材料的热导率的增大呈指数式下降。氮化铝陶瓷基板的热阻约为氧化铝陶瓷基板的50%。图五陶瓷基板热阻与热导率（左）以及固晶胶热导率（右）关系除了绝缘层/绝缘基板外，固晶胶也是影响散热的一个重要因素。在这里，我们也通过有限元仿真，分析了LED芯片到基板的热阻随固晶胶热导率的变化关系。如图78所示，芯片到基板的热阻随封装胶热导率的增大先是急剧减小，然后趋于平缓。可见COB封装散热的瓶颈在于芯片和散热基板间的固晶胶的低热导率。传统固晶胶的热导率较低(本文实验所采用的固晶胶热导率为0．2W/(m·℃))，使用银胶固晶(热导率为2～25W/(m·℃))之后，整体热阻能够得到大幅降低。从图7还可以看出，当固晶胶热导率达到2W/(m·℃)之后，继续增大固晶胶热导率对降低热阻的意义并不大，但使用不同基板材料的散热效果却差5倍。因此，若要满足大功率LED的散热需要，氮化铝陶瓷基板是首选，而固晶胶使用普通银胶即可，不必使用高质量、高热导的银胶，从而节约成本。但是从出光考虑，由于银胶不透明，使用银胶固晶时芯片的反射出光率会大大降低。因此，固晶胶的研发对大功率LED的发展也具有很重要的意义利用ANSYS有限元软件建立3D散热器模型，通过改变材料的热导率、电导率等属性，计算出最佳热传导的材料，通过改变材料的配方和合成比例，试验生产出热导率高的材料。通过改变材料的几何形状，计