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氮化铝陶瓷基板在UV LED中的应用与研究

汪 辉2020-06-23 10:39:501961 阅读

摘 要:随着LED向高功率、高集成、密集化、小型化方向发展,散热问题成为LED进一步发展的瓶颈。UV LED的电光转换效率较低,注入器件的大量电能转变成焦耳热,器件的自热( self-heating)问题很严峻,这也是影响UV LED器件老化和失效的一个关键因素,因此UV LED对基板的导热性能要求非常高。本文概述了几种常用陶瓷基板材料的差异、以及在UV LED应用领域中的重大意义。指出氮化铝陶瓷基板综合性能最好,是UV LED理想的基板材料。

关 键 词:UV LED;氮化铝;陶瓷基板;热阻

Application and research of AlN ceramic substrate in UV LED

Wang Hui 1

(1 Jiangsu Wenrun Optoelectronic Co., Ltd,R&D Department,Zhenjiang 212000)

Abstract:With the development of LED to high power, high integration, intensive and miniaturization, heat dissipation becomes the bottleneck of further development of LED. The electro-optical conversion efficiency of UV LED is low, and a large amount of electric energy injected into the device is converted into Joule heat. The self heating problem of the device is very serious, which is also a key factor affecting the aging and failure of UV LED devices. Therefore, the thermal conductivity of the substrate required by UV LED is very high. This paper summarizes the differences of several commonly used ceramic substrate materials and their great significance in the application of UV LED. It is pointed out that AlN ceramic substrate has the best comprehensive properties and is an ideal substrate material for UV LED.

Key words:UV LED; Aluminum nitride; ceramic substrate;thermal resistance

前言

高功率LED有源区面积小、工作电流大,产生的高密度热量在狭小的空间难以及时散出[1],引起LED温度升高。然而高温将对LED产生致命的影响,致使光衰严重、荧光粉氧化、芯片发射光谱漂移,使得LED 寿命降低[2]。

图 l为白光LED结温与出光率的关系图,从图中可以看出,LED 出光率随着结温的升高而降低,当结温高于85℃时出光率快速衰减。因此解决散热问题是高功率LED发展的关键。

图1 白光LED结温与出光率关系图

高功率LED热传导主要途径是PN结→外延层→封装基板→外壳→空气,所以封装基板的选择对LED散热至关重要[3,4]。此外基板还需兼具电气连接和机械支撑的作用。

现在常用的高功率LED基板有金属基板和陶瓷基板。金属基板导热性好,但是因金属膨胀系数跟芯片相差很大而易产生热应力使得LED性能下降。陶瓷基板兼具高导热性、高绝缘性和高稳定性,且热膨胀系数与芯片相近[5],更能有效提高高功率LED的综合性能。

UVC- LED的外量子效率(EQE)特别低,它们仅将大约1.5~3%的功率输入转换成光,剩余功率被转换成热量,热量必须要快速去除,所以导热基板必须要有非常高的导热系数,且热膨胀系数与芯片相近,陶瓷基板符合要求。

1 常用的陶瓷基板

常用的陶瓷基板材料有氧化铝、氮化铝、碳化硅等,材料参数见表1[4]。

1.1氧化铝(Al2O3)

优点:耐高温:一般可在1600℃长期使用;

高强度:为普通陶瓷的2~3倍;

缺点: 氧化铝的热膨胀系数与芯片热膨胀系数不匹配,热应力会影响产品性能;

用途: 极为广泛,可用作坩埚、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等。

1.2氮化铝(AlN)

优点:热导率高、膨胀系数低、强度高、耐高温、耐化学腐蚀;

缺点: 生产工艺复杂、成本高;

用途:大功率集成电路、高功率散热等。

1.3碳化硅(SiC)

优点:具有高强度、高硬度、耐高温、良好的导热性、抗氧化性;

缺点: 随着温度的升高,基板热导率明显下降,严重影响产品性能;

用途:火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管、热交换器材料、砂轮、磨料等。


表1 常用陶瓷材料参数

2 实验

本实验基于LED封装技术将金属基板与陶瓷基板对芯片散热差异作对比说明。

2.1 LED导热机理

导热机理: 是由晶格振动的波格来实现的,根据量子理论,晶格波或热波可以作为声子的运动来描述;通过声子间的相互碰撞,高密度区的声子向低密度区扩散,声子的扩散同时伴随着热的传递。图2是热传导示意图。


图2 热传导示意图

2.2 声子与热导率的关系

声子本身都会产生声子散射,从而影响材料的热导率,影响关系式为:

式中:K为材料热导率,c为材料比热容,v为声子的平均速度,λ为声子的平均自由程。

2.3 热成像实验(四款基板)

LED芯片的工作温度会直接影响到LED出光效率、色度漂移和使用寿命,而LED基板的主要作用是散除芯片热量。我们以88颗LED芯片作为实验对象,以同样的排列方式分别固定在铝基板、氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板、铜基板上进行测试。

图3~图6:分别是四种基板的温度分布图;表2:是不同基板温度对照表。

图3 铝基板温度分布图


图4 氧化铝基板温度分布图


图5 氮化铝基板温度分布图


图6 铜基板温度分布图


表2 不同基板温度对照

实验结果:从热力图与数据对比中得知,四款基板芯片温度:Al>Al2O3>Cu>AlN,氮化铝陶瓷基板的散热性最优,且热膨胀系数也与大多数芯片相匹配,避免芯片因热应力而失效,所以广泛应用于LED散热。

2.4 热阻实验(四款基板)

实验材料与条件:

实验材料:Al2O3、AlN、Al、Cu的四种基板,基板尺寸:3.5mm*3.5mm*0.8mm(其中导热层厚度0.5mm);

实验条件:Ta= 25℃。 

图7是基板尺寸图:


图7 基板尺寸图

2.4.1 氧化铝热阻计算

= 0.5×10-3m/(3.3×2.3×10-6m2×20W/m.K)=3.29℃/W

2.4.2 氮化铝热阻计算

= 0.5×10-3m/(3.3×2.3×10-6m2×170W/m.K)=0.39℃/W

2.4.3 铝基板热阻计算

= 0.5×10-3m/(3.3×2.3×10-6m2×10W/m.K)=6.58℃/W

2.4.4 铜基板热阻计算

= 0.5×10-3m/(3.3×2.3×10-6m2×108.9W/m.K)=0.60℃/W

2.4.5 热阻示意图


图8 不同基板的热阻示意图

实验结果:以上热阻计算结果和示意图中:Al>Al2O3>Cu>AlN,氮化铝基板的热阻最低,其导热性能最佳。

2.5 光衰试验(四款基板)

2.5.1 试验材料:

光源: 3535 UV LED;

固晶银胶:TKS-123;

金线:Φ1.2mil;

四款支架:AlN (170W/m.K)、Cu(108.9W/m.K)、Al2O3(20W/m.K)、

Al(10W/m.K);

晶片:45mil*45mil ,WLP:400~410nm ,PO:800~900mW ,VF:3.1~3.6V

2.5.2 老化条件:

老化电流:700mA;

老化环境:Ta=25℃。

2.5.3 试验数据:

表3是UV LED光衰测试数据;图9是UV LED光衰曲线图;图10是UV LED光衰推算图。

表3 UV LED光衰测试数据

图9 UV LED光衰曲线图

图10 UV LED光衰推算图(L70寿命)

试验数据:

<1> 氮化铝:8000H老化,光通维持率95.8%,实际推算:L70寿命为67000H;

<2> 铜:8000H老化,光通维持率95.55%,实际推算:L70寿命为63000H;

<3> 氧化铝:8000H老化,光通维持率92.1%,实际推算:L70寿命为35000H;

<4> 铝:8000H老化,光通维持率90.3%,实际推算:L70寿命为28000H;

试验结果:

8000H光衰对比:Al>Al2O3>Cu>AlN;L70寿命对比:AlN>Cu>Al2O3>Al。

3 结论

<1> 热成像实验,通过对比,芯片温度:Al>Al2O3>Cu>AlN,采用氮化铝基板散热最佳;

<2> 热阻实验,通过对比,热阻:Al>Al2O3>Cu>AlN,氮化铝基板热阻最低;

<3> 光衰试验,通过对比,8000H光衰:Al>Al2O3>Cu>AlN;L70寿命:AlN>Cu>Al2O3>Al,氮化铝基板光衰最小;

综上所述:

四款基板分别通过三种不同实验对比,氮化铝陶瓷基板综合性能最佳,是UV LED理想的基板材料。

参考文献:

[1] 邹靓靓. 集成微热管的LED硅基板研制 [D].大连理工大学,2015.

[2] 方军,花刚,傅仁利,等.大功率白光LED封装结构和封装基板 [J].半导体技术,2013(02):140-147.

[3] 张学斌,镀铜陶瓷基板制备与LED封装应用研究 [D].华中科技大学,2014.

[4] 程浩,陈明祥,郝自亮,等.功率电子封装用陶瓷基板技术与应用进展 [J].电子元件与材料,2016(01):7-11.

[5] 刘兵,彭超群,王日初,等.Al2O3陶瓷基片电子封装材料研究进展 [J].中国有色金属学报,2011,21(08):1893-1903.

作者:汪 辉:江苏稳润光电有限公司,研究所,镇江212000


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