浙江大學碩l ：學位論文摘要 摘要 l e d 以其體積小，全固態(tài)，長壽命，環(huán)保，省電等一系列優(yōu)點，已經在汽 車照明、裝飾照明、手機閃光燈、大中尺寸( n b 、l c d t v 等) 顯示屏光源模 塊得到廣泛應用，成為2 l 世紀最具發(fā)展前景的高技術領域之一。美國、歐盟、 日本等眾多國家紛紛出臺計劃，投入巨資加速其發(fā)展，以占領能源戰(zhàn)略制高點。 現(xiàn)有l(wèi) e d 的電光轉換效率約為2 0 3 0 ，而7 0 8 0 的能量轉化為無法借 助輻射釋放的熱能。如果封裝散熱不良，會使芯片溫度升高，引起應力分布不均、 芯片發(fā)光效率降低、熒光粉轉換效率下降。當溫度超過一定值，器件的失效率將 呈指數規(guī)律攀升。因此，大功率l e d 封裝的散熱難題是當前產業(yè)化的瓶頸技術 之一，大功率白光l e d 封裝的散熱性能更是國內外的研究熱點。 本文針對目前國內外封裝存在的問題，首先提出了一種新的大功率l e d 封 裝結構，然后對該結構及其材料進行了理論、實驗分析和工藝研究，再對采用該 結構的5 w 單芯片白光l e d 封裝和5 w 多芯片白光l e d 陣列封裝進行了仿真優(yōu) 化設計，最后設計并制備了熱阻為8 0 5 k w 的5 w 單芯片白光l e d 封裝。論文 取得的成果及創(chuàng)新點主要有： ( 1 ) 針對目前大功率l e d 封裝結構普遍存在散熱性能不良，制備工藝復雜， 成本高等缺點，通過理論分析和實驗研究，我們提出了一種高功率l e d 兼容集 成封裝模塊和一種自散熱式發(fā)光二極管目光燈，并己申請相關專利兩項。通過將 絕緣層和電極層以薄膜形式直接制備在鋁基板上，減少了大功率l e d 封裝的內 部熱沉數量、減薄內部熱沉厚度。不僅提高了大功率l e d 封裝的散熱性能，而 且制備工藝簡單、成本低、無污染，符合r o l l s 標準，為解決大功率l e d 封裝 的散熱難題提供了一種新的結構。 ( 2 ) 通過理論分析和比較組成散熱基板、絕緣層和電極層的各種材料性能， 設計并選用鋁作為基板材料、氧化鋁作為絕緣層材料、過渡層( t i ) 阻擋層似i c u ) 電極層( a 曲的梯度膜系和i t o 薄膜兩種作為電極層的結構。 ( 3 ) 采用a n s y s 軟件對5 w 單芯片白光l e d 封裝和5 w 多芯片白光l e d 陣列封裝進行三維熱力學仿真優(yōu)化設計，研究發(fā)現(xiàn)5 w 單芯片白光l e d 封裝的 熱阻為5 8 k w ，當環(huán)境溫度為5 0 時，芯片最高的結溫為7 3 1 9 7 ，可以滿足 浙江大學碩士學位論文摘要 大功率l e d 封裝的散熱要求；5 w 多芯片白光l e d 陣列封裝的熱阻為3 9 8 6 k w ， 當環(huán)境溫度為5 0 時，芯片最高的結溫為6 5 9 9 4 ( 2 ，可以滿足大功率l e d 封裝 的散熱要求；優(yōu)化結構參數后采用厚度為1 1l n m 的鋁基板，空氣對流系數為1 0 w ( m 2 k ) 時，5 w 多芯片白光l e d 陣列封裝的熱阻為2 5 6 3k w 。該封裝結 構無論是應用于單芯片還是多芯片陣列封裝，都可以滿足l e d 的散熱要求。 ( 4 ) 采用硬質硫酸陽極氧化法制備了厚度為3 0 2 u m ，介電強度為3 2 5 v u m 氧化錨絕緣層，通過理論研究和測試分析了絕緣層鍍膜后短路的機理并指出了改 進方法。 ( 5 ) 研究了電極層的材料和制備工藝，采用直流磁控濺射法制備出 t i ( 1 5 0 n m ) n i c u ( 4 0 0 n m ) a g ( 2 0 0 n m ) 組成的梯度膜系作為電極層，其電阻率為3 1 0 。6q c m ，平均抗拉強度為4 2 2 m p a ，膜層表面缺陷較少，致密性好，焊接 性能好，滿足電極層的需求。 ( 6 ) 提出了在氧化鋁絕緣層上采用射頻磁控直流濺射法制備i t o 薄膜作為 電極層的過程中引入紫外在線輻照來降低i t o 薄膜電阻率的新工藝，并申請了 相關專利一項。實驗表明在紫外輻照條件下制備的樣品的電阻率、表面形貌和生 長取向明顯優(yōu)于未經紫外輻照的樣品，在線紫外輻照下最低方阻為5q 口，電阻 率為2 5 1 0 4q c m ，平均抗拉強度為5 3 m p a ，表面缺陷少，致密度好，趨 于 2 2 2 的擇優(yōu)取向，焊接性能好，基本滿足電極層的需求。 ( 7 ) 在上述研究的基礎上，我們初步制備出了散熱性能良好的5 w 白光l e d 單芯片封裝，初測其封裝熱阻為8 0 5 k w ，與第四章中的5 w 白光l e d 單芯片 封裝的熱阻仿真結果5 8 刈w 比較吻合。當環(huán)境溫度為5 0 時，芯片最高的結溫 為8 2 2 ，可以滿足大功率l e d 封裝的散熱要求。 關鍵詞：大功率l e d ，封裝，散熱性能，熱阻，日光燈 2 浙江大學碩士學位論文 a b s t r a c t a b s t r a c t l i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) ，b e i n gw i d e l yu s e di nm o b i l ef l a s h l i g h t , l a r g ea n d m e d i u ms i z e sd i s p l a y s ( n b ，l c d t v ) a n di l l u m i n a t i o ns y s t e m ，h a sb e c o m eo n eo f t h em o s tp r o m i s i n gh i g ht e c h n o l o g i e si n21s tc e n t u r yw i t has e r i e so fd i s t i n c t i v e a d v a n t a g e ss u c ha sl o w e r - p o w e rc o n s u m p t i o n ，p u r el i g h t ，s o l i d s t a t e ，e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n m a n yc o u n t r i e ss u c ha st h eu n i t e ds t a t e s ，t h ee u r o p e a nu n i o n ，j a p a na n d c h i n ah a v ee s t a b l i s h e dn a t i o n a l s t r a t e g i e s a n di n v e s t e dt oa c c e l e r a t el e d i n d u s t r y t h ee l e t r o p h o t i ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yr a n g e sf r o m2 0 t o3 0 ，t h u st h er e s t e n e r g yc o n v e y si n t ot h e r m o p o w e rw h i c hc a n tb er e l e a s e dt h r o u g hr a d i a t i o n w i t h t h i sl o wh e a tr e m o v a le f f i c i e n c y , t h er a i s eo ft e m p e r a t u r ei nt h ec h i pw i l lr e s u l ti n n o n u n i f o r md i s t r i b u t i o no ft h e r m a ls t r e s s ，d e c l i n eo ft h el u m i n o u se f f i c i e n c yo ft h e c h i pa n dt h em a s e re f f i c i e n c yo ft h ep h o s p h o r ，a n du l t i m a t e l yl e a dt od e v i c ef a i l u r e s ot h ep a c k a g i n go f h i g h p o w e rl e d s ，e s p e c i a l l yt h ep a c k a g i n go fw h i t eh i g h p o w e r l e d sh a sb e e nt h eo b s t a c l e st ot h ei n d u s t r i l i z a t i o n t os o l v et h ep r o b l e m so ft h ec u r r e n tp a c k a g i n go fh i g h - p o w e rl e d s ，w ep u t f o r w a r dan e ws t r u c t u r eo fp a c k a g i n go fh i g h - p o w e rl e d s t h r o u g hr e s e a r c hb o t h t h e o r e t i c a ll ya n de x p e r i m e n t a l l ya sw e l la sp r o c e s s i n go nt h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a l s o fp a c k a g i n gf o rh i g h p o w e rl e d sa n dt h es i m u l a t i o na n do p t i m a ld e s i g no f5 w s i n g l e c h i pw h i t el e dp a c k a g i n ga n d5wm u l t i c h i pw h i t el e d sp a c k a g i n g ，w e d e s i g n e da n dp r e p a r e dat h e r m a lp a c k a g i n gm o d u l ef o r5 ww h i t el e d sw i t ht h e t h e r m a lr e s i s t a n c eo f8 0 5 k wa n dt h el u m i n o u se f f i c i e n c yo f16 0 1 m w t h em a j o r w o r k sa n di n n o v a t i o ni nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t os o l v et h ec o m m o np r o b l e m sa b o u tt h ep r e s e n tp a c k a g i n go fh i g h p o w e r l e d sw i t hw o r s et h e r m a lp e r f o r m a n c e ，c o m p l i c a t ep r o c e s sa n dh i g hc o s t ，w e p r e s e n t e d a n i n t e g r a t e dp a c k a g i n go fh i g h - p o w e rl e d sa n dap a c k a g i n go f f l u o r e s c e n tl a m pc o m p o s e do fl e d so nt h eb a s i so fb o t ht h e o r ya n de x p e r i m e n t ，a n d a p p l i e df o rt w or e l e v a n tp a t e n t s b yp r e p a r i n gt h ei n s u l a t i n gl a y e ra n dt h ee l e c t r o d e l a y e rd i r e c t l yo nt h ea l u m i n u mp l a t e ，t h ea m o u n ta n dt h i c k n e s so fi n t e r n a lh e a ts i n k s 3 浙江人學碩1 ：學位論文 a b o u tt h ep a c k a g i n go fh i g h - p o w e rl e d si sr e d u c e d t h u s ，t h e s em e t h o d s ，w h i c h c o u l di m p r o v et h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo f p a c k a g i n g f o rh i g h - p o w e rl e d sw i t he a s y p r o c e s s i n g ，l o s tc o s ta n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na c c o r d i n gt or o l l s ，c o u l dl e a dt oa e f f e c t i v es o l u t i o nt ot h eh e a t r e l e a s ep r o b l e mf o rp a c k a g i n go fh i g h p o w e rl e d s ( 2 ) t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p a r i s o na b o u tp e r f o r m a n c ea m o n g t h e m a t e r i a l su s e df o rt h ec o o l i n gp l a t e ，t h ei n s u l a t o rl a y e ra n dt h ee l e c t r o d el a y e r , w e c h o s et h ea l u m i n u mf o rc o o l i n gp l a t e ，a 1 2 0 3f o ri n s u l a t o rl a y e ra n dc r n i c u a go r i t o l a y e rf o rt h ee l e c t r o d el a y e r ( 3 ) w i t ht h es i m u l a t i o na n do p t i m a ld e s i g no ft h e r m o d y n a m i c sf o rp a c k a g i n g m o d u l e so f5 ws i n g l e - c h i pw h i t el e da n d5 w m u l t i c h i pw h i t el e d s ，w ef o u n dt h a t t h et h e r m a lr e s i s t a n c eo ft h ef i r s tp a c k a g i n gi s5 8 k wa n dt h i sp a c k a g i n g ，o fw h i c h t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo ft h ec h i pi s7 3 1 9 7 ( 2w h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei s5 0 ，c o u l dw e l ls a t i s f yh e a t - r e l e a s en e e d sf o rt h eh i g h - p o w e rl e dp a c k a g i n g a n dt h e s e c o n dp a c k a g i n g ，o fw h i c ht h et h e r m a lr e s i s t a n c ei s3 9 8 6 k wa n dt h eh i g h e s t t e m p e r a t u r eo ft h ec h i pi s6 5 9 9 4 cw h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei s5 0 。c ，c o u l d w e l ls a t i s f yh e a t - r e l e a s en e e d sf o rt h eh i g h p o w e rl e dp a c k a g i n g t h et h e r m a l r e s i s t a n c eo ft h es e c o n do n ei s2 5 6 3 k ww i t ha l u m i n u mp l a t e1 1r a n lt h i c ka n dt h e c o n v e c t i o nc o e f f i c i e n to f10w ( m 2 k ) a f t e rt h eo p t i m a lo fs t r u c t u r ep a r a m e t e r s t h ep a c k a g i n gb o t hf o rs i n g l e - c h i pa n dm u l t i - c h i p sc o u l dm e e tt h eh e a t - r e l e a s e r e q u i r e m e n tf o rh i g h p o w e rl e d s ( 4 ) w ep r e p a r e dt h ea l u m i n u md i o x i d el a y e rw i t ht h et h i c k n e s so f3 0 2 u ma n d t h e d i e l e c t r i cp r o b a b i l i t yo f3 2 5 v u mb yt h em e t h o do fh a r da c i da n o d i z i n g t h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt e s t ，w ea n a l y z e dt h ee x p l a n a t i o nf o rn o n - i n s u l a t i o na b o u tt h e i n s u l a t o rl a y e ra f t e rc o a t i n ga n dp o i n t e do u ts o m ei m p r o v e m e n t s ( 5 ) a f t e rt h er e s e a r c ha b o u tt h ep r e p a r a t i o na n dm a t e r i a l so ft h ee l e c t r o d el a y e r , w ep r o d u c e de a c hl a y e ro fi ta sc r n i c u a g t h er e s u l t ss h o w nt h a tt h es a m p l eo f w h i c ht h er e s i s t i v i t ya c h i e v e d3 10 6q c m a v e r a g eb o n d i n gf o r c eu pt o4 2 2m p a w i t hl i t t l es u r f a c ed e f a u l t sa n dg o o dd e n s i t ya n df i n ew e l d i n gp r o b a b i l i t yc o u l dm e e t t h ea c q u i r e m e n to ft h ee l e c t r o d el a y e r ( 6 ) w ep r e s e n t e dan e wm e t h o dw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fo n l i n eu l t r a v i o l e t 4 浙江大學碩士學位論文 a b s t r a c t r a d i a t i o nd u r i n gt h ep r e p a r a t i o no fi t ot h i n - f i l ma se l e c t r o d el a y e rb yr fm a g n e t r o n s p u t t e r i n ga n da p p l i e df o rar e l e v a n tp a t e n t t h e s er e s u l t ss h o w nt h a tt h er e s i s t i v i t y , t h es u r f a c et o p o g r a p h ya n dt h eg r o w t ho r i e n t a t i o no fs a m p l e sp r o d u c e dw i t hu v r a d i a t i o na r em u c hb e t t e rt h a ns a m p l e sp r o d u c e dw i t h o u tu vr a d i a t i o n t h es a m p l e p r o d u c e dw i t hu vr a d i a t i o no fw h i c ht h es m a l l e s ts q u a r er e s i s t a n c ei s5o u ，t h e r e s i s t i v i t ya c h i e v e d2 5x10 珥q c m ，a v e r a g eb o n d i n gf o r c eu pt o5 31 v i p aw i t hl i t t l e s u r f a c ed e f a u l t sa n dg o o dd e n s i t ya n dt h ep e a ko f 【2 2 2 】a n dg o o dw e l d i n gp r o b a b i l i t y c o u l dm e e tt h ea c q u i r e m e n to ft h ee l e c t r o d el a y e r ( 7 ) b a s e do nt h es t u d ya b o v e ，w ep r e p a r e dap a c k a g i n go f5 ws i n g l e - c h i pw h i t e l e dw i t ht h e r m a lr e s i s t a n c eo f8 0 5 k w t h i sr e s u l ti sh i g h l yc o n s i s t e n tw i t ht h e p r e d i c t i o n so ft h et h e o r e t i c a lm o d e l t h i sp a c k a g i n g ，o fw h i c ht h eh i g h e s tt e m p e r a t u r e o ft h ec h i pi s8 2 2 cw h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei s5 0 。c ，c o u l dw e l ls a t i s f y h e a t r e l e a s en e e d sf o rt h eh i g h p o w e rl e d p a c k a g i n g k e y w o r d ：h i g h - p o w e rl e d ，p a c k a g i n g ，t h e r m a lp e r f o r m a n c e ，t h e r m a l r e s i s t a n c e ，f l u o r e s c e n tl a m p 5 浙江大學碩士學位論文 浙江大學研究生學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā) 表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得迸望盤堂或其他教育機構的學位或 證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文 中作了明確的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名：荔趣簽字日期：泓彬繆年，月2 ，日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解逝姿盤堂 有權保留并向國家有關部門或機 構送交本論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權迸、江盤堂 可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索和傳播，可以采用影 印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權書) 學位論文作者簽名：荔這 導師簽名： 糾謝 簽字日期：2 pp g 年，j 月2 ，日 簽字日期：彩年，月衫日 浙江大學碩十學 c f = 論文致謝 致謝 隨著本文的結束，我也將結束兩半年的碩士生涯。在這近三年里，在為人處 事上我學會了自信、自強、自立；在科學研究上我學會了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、 解決問題，在一定程度上培養(yǎng)了創(chuàng)新能力。 對于這一切能力的獲得和本論文的完成，我首先要感謝我的導師王教授，感 謝王老師對我生活、學習和論文上的幫助和指導，每一個階段都傾注了導師大量 的心血。王教授淵博的學識、嚴謹的治學態(tài)度、開拓活躍的思維、獨到的學術見 解、孜孜以求的鉆研精神和豐厚的閱歷都深深的影響著我，令我終身受益。恩師 高尚的人格品性，勤勞刻苦的工作作風，為我今后從事社會工作樹立了榜樣。借 此向王老師致以崇高的敬意和最誠摯的感謝! 同時我要感謝同課題組的王耀明同學。他知識淵博、待人誠懇、刻苦勤奮。 在這個課題的研究過程中，我們一起做實驗、一起送材料到工廠外加工、遇到實 驗問題一起討論一起解決。當我困惑時，他耐心地給我講解，使我受益匪淺。當 我遇到困難時，他給予了我最大的幫助和支持。和他相處和合作的這段時間，是 我這三年度過的最充實最快樂的時光。本文的完成也得到了他莫大的支持和幫 助。 感謝任老師和顧老師在真空濺射實驗和數據測試過程中給予我的巨大幫助， 每次我遇到實驗設備上的故障問題，你們都會耐心幫我解決。感謝金老師和董老 師在理論研究上給予我的啟迪和指導。 感謝我的父母和姐姐，是你們默默的支持和無私的奉獻使我能一路走到今 天。你們的愛是我前進的巨大動力，使我克服一個個困難，滿懷信心接受挑戰(zhàn)! 感謝光電薄膜實驗室其他所有關心過我、幫助過我的同學。感謝你們陪我一 起度過了很多快樂的時光，感謝你們在平時的工作學習生活中給予我的幫助。 感謝在我轉碩過程中所有給予我?guī)椭?、支持和理解的學校、學院領導和老師， 是你們給予了我盡一份孝心的機會。謝謝你們! 最后再一次衷心地感謝所有幫助過我的老師和朋友們，謝謝大家! i v 浙江大學碩十學位論文第一章緒論 1 1 引言 第一章緒論 發(fā)光二極管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，簡稱l e d ) 誕生至今，已經實現(xiàn)了全彩 化和高亮度化，并在藍色紫色l e d 基礎上產生的白光l e d ，帶來了人類照明史 上的又一次飛躍。與白熾燈和熒光燈相比，l e d 以其體積小，全固態(tài)，長壽命， 環(huán)保，省電等一系列優(yōu)點，已經在汽車照明、裝飾照明、手機閃光燈、大中尺寸 顯示屏光源模塊得到廣泛應用，成為21 世紀最具發(fā)展前景的高新技術領域之一。 據預測，未來的五年中，l e d 技術很有可能挑戰(zhàn)白熾燈、熒光燈、鹵素燈的主 導地位，成為目前所知光源中最符合節(jié)能環(huán)保的優(yōu)質光源【l 】。美國、歐盟、日 本等眾多國家紛紛出臺計劃，投入巨資加速其發(fā)展，以占領能源戰(zhàn)略制高點。我 國十一五規(guī)劃指出：半導體照明產業(yè)關系重大，其發(fā)展成敗不僅關系到照明領域 未來的節(jié)能降耗問題，而且是本世紀半導體技術發(fā)展的關鍵。 日本的n i c h i a 、豐田合成、美國的l u m i l e d s 、c r e e 、德國的o s r a m 五家公 司幾乎控制了整個白光l e d 產業(yè)，尤其在藍光芯片和白光熒光粉方面布置了嚴 密的專利網。我國l e d 技術起步較晚，自主知識產權較少，隨著產業(yè)的不斷發(fā) 展，很可能卷入專利糾紛中，發(fā)展情況不容樂觀。但我國l e d 產業(yè)仍然有機會 取得突破，打破這種被動的專利格局。近年來隨著大功率l e d 應用于照明的形 式逐漸形成，大功率封裝的專利極可能成為繼白光熒光粉專利后專利訴訟的主要 目標【2 ，3 】。因此，我國很有必要以大功率l e d 封裝為開發(fā)重點，在獲得更多自 主知識產權的同時，與國外公司進行交叉授權。 目前看來，大功率l e d 封裝由于結構和工藝復雜，并直接影響到l e d 的 使用性能和壽命，一直是近年來的研究熱點，特別是照明級大功率l e d 散熱封 裝更是研究熱點中的熱點【3 】。對于現(xiàn)有的l e d 光效水平而言，輸入電能的7 0 8 0 轉變成為無法借助輻射釋放的熱量，而且l e d 芯片尺寸很小，如果散 熱不良，則會使芯片溫度升高，引起熱應力分布不均、芯片發(fā)光效率降低、熒光 粉激射效率下降。研究表明：當溫度超過一定值，器件的失效率將呈指數規(guī)律攀 升，元件溫度每上升2 ，可靠性下降1 0 。為了保證器件的壽命，一般要求 8 浙江大學碩上學位論文第一章緒論 p n 結結溫在l1 0 以下。隨著p n 結的溫升，白光l e d 器件的發(fā)光波長將發(fā)生 紅移。在1 0 0 的溫度下，波長可以紅移4 9l i r a ，從而導致釔鋁石榴石( y a g ) 熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每 升高1 ，l e d 的發(fā)光強度會相應地減少l 左右，當器件從環(huán)境溫度上升至 1 2 0 時，光衰高達3 5 【4 】。若多個大功率l e d 芯片密集排列構成白光照明系 統(tǒng)，熱量的耗散問題更為嚴重。近年的國內外研討會普遍認為，如何提高封裝散 熱能力是現(xiàn)階段照明級大功率l e d 亟待解決的關鍵技術之- - 1 ，3 】。 近年來，人們對于大功率l e d 封裝在芯片布置、封裝材料選擇( 基板材料、 熱界面材料) 與工藝、熱沉設計等方面已經做了很多工作，并且取得了一定進展。 目前散熱性能較好的封裝結構主要有： ( 1 ) 印刷屯路板( p c b ) 結構：通過粘膠劑 或焊料將l e d 芯片直接粘貼到p c b 板上，再通過引線鍵合實現(xiàn)芯片與p c b 板 間電互連。主要用于大功率多芯片陣列的l e d 封裝，其熱阻一般為6 1 2k w 。 同表面貼裝技術( s m t ) 相比，在降低封裝熱阻的同時，大大提高了封裝的功率密 度。( 2 ) 系統(tǒng)封裝技術：由臺灣新強光電公司研制，采用翅片+ 熱管的方式構成 高效能散熱模塊，研制出了7 2 w 、8 0 w 的高亮度白光l e d 光源。由于封裝熱阻 較低( 4 3 8 到w ) ，當環(huán)境溫度為2 5 時，l e d 結溫控制在6 0 。c 以下，從而確保 了l e d 的使用壽命和良好的發(fā)光性能。( 3 ) 微泵浦結構：由華中科技大學研制， 采用p c b 封裝和微噴主動散熱技術相結合，封裝熱阻約為o 5 5 列w 。上述技 術中，p c b 結構中的p c b 板是熱的不良導體，它會阻礙熱量的傳導；系統(tǒng)封裝 技術和微泵浦結構的散熱性能雖好，但結構過于復雜、成本也過高，不適合大規(guī) 模產業(yè)化生產【4 】。因此，摸索合適的結構和材料、制備工藝和參數來設計和制 備低接口熱阻、高散熱性能及低機械應力的封裝結構對于未來大功率l e d 封裝 的散熱性能的提高和發(fā)展具有非?，F(xiàn)實的意義。 以上各種岡素促使我們選擇了大功率l e d 封裝的散熱性能這一課題進行研 究，提出了一種集散熱器、絕緣層、電極層于一體的的新型大功率l e d 封裝結 構和一種帶自散熱功能的l e d 日光燈。由于實驗條件和時間的限制，我們選取 第一種封裝結構作為研究對象，探索了散熱性能優(yōu)良的封裝結構及材料，理論和 實驗研究了封裝結構各組成部分的制備工藝和相關參數，用熱力學軟件a n s y s 對采用該封裝的5 w 單芯片白光l e d 封裝和5 w 多芯片白光l e d 陣列封裝的傳 9 浙江大學碩士學位論文第一章緒論 熱學仿真優(yōu)化設計，并制備了5 w 單：占片白光l e d 封裝，通過動態(tài)電學法對其 熱阻進行了測量，與仿真值相吻合，并已申請了相關專利三項。 1 2 本文研究目的及章節(jié)分布 由于如何提高封裝的散熱能力是大功率l e d 實現(xiàn)產業(yè)化亟待解決的關鍵技 術難題之一，對散熱性能優(yōu)良的大功率l e d 封裝的的需求和研究已成為熱點， 因此，本文選擇大功率l e d 封裝的散熱性能的若干問題作為研究課題。 目前，國內外開發(fā)的大功率l e d 封裝普遍存在散熱性能不良，制備工藝復 雜，產業(yè)化前景不甚光明等缺點。本文針對目前大功率l e d 封裝所面臨的瓶頸 散熱性能差，提出了一種集散熱器、絕緣層、電極層于一體的大功率l e d 封裝結構，首先在鋁散熱器表面直接制備絕緣膜，然后在絕緣膜上濺射鍍覆電氣 層，最后將芯片倒裝焊接在電極層上，以期通過減少內部熱沉數和減薄內部熱沉 厚度來降低熱阻，并創(chuàng)新性地提出了一種帶自散熱功能的l e d 日光燈。主要研 究目的就集中在優(yōu)化設計l e d 散熱封裝的結構參數，通過理論分析和實驗來分 析和設計封裝的制備工藝，用熱力學軟件a n s y s 對采用該封裝的5 w 單芯片白 光l e d 封裝和5 w 多芯片白光l e d 陣列封裝的傳熱學仿真優(yōu)化設計，并根據最 佳設計和工藝參數，制備5 w 單芯片白光l e d 封裝，從而為大功率l e d 的應用 發(fā)展做準備。 本文主要章節(jié)內容安排如下： 第一章主要講述了選擇研究大功率l e d 封裝散熱性能的若干問題的動機以 及本文的研究目的和內容。 第二章主要講述了l e d 的背景、熱效應、封裝的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢、散熱性能 的表征和測試。首先在第2 1 節(jié)中概述了l e d 的結構、發(fā)光原理、主要性能參數、 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。然后在第2 2 節(jié)中主要從半導體材料理論方面分析了l e d 熱效 應對其p n 結正向偏壓、發(fā)光效率、光通亮、光色和壽命的影響，認為大功率l e d 的散熱問題亟待解決。在第2 3 節(jié)和第2 4 節(jié)中從芯片結構、封裝結構、封裝材料 等方面分析并總結了當前業(yè)界對l e d 封裝的研究現(xiàn)狀和趨勢。針對當前的封裝存 在的散熱性能不好、制備工藝和結構復雜、成本高等缺點，本文提出的采用薄膜 工藝將電極層和絕緣層直接制作在金屬散熱器上，通過減少內部熱沉數量和減薄 1 0 浙江大學碩士學位論文第一章緒論 內部熱沉厚度以大幅度提高散熱性能，具有研究意義。為了對大功率l e d 封裝的 散熱性能進行準確的表征和測量，第2 5 節(jié)中介紹了單：簽片和多芯片封裝熱阻的 定義，以及相關的測試方法和原理。 第三章介紹了新型l e d 散熱封裝的結構和材料的選取。本文提出了高功率 l e d 兼容集成封裝模塊( c n 2 0 0 7 1 0 0 6 7 9 0 0 8 ) 和自散熱式的發(fā)光二極管日光燈 結構( c n 2 0 0 8 1 0 0 6 3 7 3 3 4 ) 。由于時間和具體實施的限制，重點研究第一種封裝 結構，設計膜系結構，運用多種理論分析并比較了組成散熱基板、絕緣層和電極 層的各種材料性能，選用錨作為基板材料、氧化鋁作為絕緣層材料、過渡層t i 阻擋層n i c u 電極層a g 的梯度膜系和i t o 薄膜兩種作為電極層。 第四章研究了大功率l e d 封裝的熱力學仿真優(yōu)化設計。本文建立了瞬態(tài)和穩(wěn) 態(tài)的三維傳熱學模型，利用有限元分析軟件a n s y s 對5 w 單芯片白光l e d 封 裝和5 w 多芯片自光l e d 陣列封裝進行三維熱力學仿真，并選取不同的封裝參 數，對5 w 多芯片白光l e d 陣列封裝進行優(yōu)化設計。 第五章對制備出的5 w 單芯片自光l e d 封裝進行了具體分析。研究了氧化 鋁絕緣層、電極層以及5 w 單芯片白光l e d 封裝的制備方法，通過性能測試和 分析，詳細討論了絕緣層鍍膜后短路的原因和改進方法，研究了電極層的制備工 藝，最終制備了散熱性能較為優(yōu)良的5 w 單芯片白光l e d 封裝，并將其與 l u m i l e d s 公司提供的參考值和仿真值相比較和分析。 最后，第六章對本文做出了結論?？偨Y了本文做的主要工作和創(chuàng)新點以及不 足之處，對本課題可繼續(xù)研究的方向提出了建議。 浙江大學碩士學位論文第二章l e d 及其封裝的概述 2 1l e d 的簡介 第二章l e d 及其封裝的概述 l e d 以其工作電壓低、耗電量少、發(fā)光效率高、光色純、全固態(tài)、質量輕、 體積小、成本低、綠色環(huán)保等一系列優(yōu)點，成為2 l 世紀最具發(fā)展前景的高技術 領域之一。下面我們將分別介紹l e d 的結構、發(fā)光原理、主要參數性能、發(fā)展 現(xiàn)狀與趨勢。 2 1 1l e d 的結構 發(fā)光二極管是一種注入電致發(fā)光器件，由i i i 族化合物，如g a p ( 磷化鎵) 、 g a a s p ( 磷砷化鎵) 等半導體制成。l e d 的基本結構為一塊電致發(fā)光的半導體材料， 置于一個有引線的架子上，然后外部用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用， 如圖2 1 所示【5 】。其核心部分是p 型半導體和n 型半導體之間的過渡層，稱為 p n 結，通常采用雙異質結和量子阱結構。它除了具備普通p n 結的i u 特性，即 正向導通，反向截止，擊穿特性外，在一定的條件下，還具有發(fā)光特性【6 】。 2 1 2l e d 的發(fā)光原理 圖2 1l e d 的基本結構 5 】 l e d 發(fā)光原理可以通過能帶結構解釋：如圖2 2 所示，n 區(qū)導帶底附近的 大量遷移率很高的電子，p 區(qū)中存在較多的遷移率較低的空穴。雖然存在大量的 1 2 浙江人學碩一i 二學位論文第二章l e d 及其封裝的概述 空穴和電子，但在常態(tài)時，由于p n 結的阻擋，空穴和電子不能發(fā)生自然復合【7 】。 當在p n 結上加正向電壓時，如圖2 3 所示，在外加電場作用下，p n 結的厚度隨 著載流子濃度的增加而減薄，結勢壘降低，大量的電子從高能態(tài)的導帶躍遷到價 帶與空穴復合時【7 】。電子與空穴的復合將一部分能量以光子的形式轉換為光能， 或者以聲子的形式轉換為熱能。當在p n 結上加反向電壓，少數載流子難以注入， 故不發(fā)光【5 】。 圖2 2 熱平衡條件下p n 結的能帶圖【7 】 圖2 3 外加正偏電壓下p n 結的能帶圖【7 】 嚴格說來，二極管發(fā)光分為兩種【5 】：第一種是注入的電子與價帶空穴的直接 復合或者電子先被發(fā)光中心捕獲后再與空穴復合，發(fā)出的光均為可見光。第二種 是注入的電子的一部分被非發(fā)光中心捕獲后再與空穴復合，發(fā)出的光為不可見 光。l e d 發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光內量子效率越高， 發(fā)光效率揣o l e d 所發(fā)的光波波長入取決于材料的禁帶寬度乓，滿肌2 毒， 其中h 為普朗克常數，c 為真空中的光速 8 】。因此，選用禁帶寬度不同的半導體 浙江人學碩七學位論文 第二章l e d 及其封裝的概述 材料，就可以制造出發(fā)光顏色不同的l e d ，現(xiàn)在常見的有紅、黃、綠、藍發(fā)光 二極管【6 】。 2 1 3l b d 的主要性能參數 2 1 3 1 發(fā)光效率 發(fā)光效率r l 是l e d 的一個重要的性能指標，用l m w 來表達。發(fā)光效率包 括內量子效率和外量子效率、提取效率及流明效率【9 】。 內量子效率r l , ( x ，y ) ( i q e ) 指單位時間內芯片有源區(qū)發(fā)出光子數與注入芯片 電子數之比，與材料的種類、質量有關，目前隨著芯片外延技術的發(fā)展和m o c v d 技術的成熟，l e d 芯片的內量子效率均大于9 8 。外量子效率鋤( e q e ) 是指 芯片輸出光子數與注入芯片電子數之比。提取效率仉叫( x ，y ) 指芯片輸出光子數與 芯片有源區(qū)發(fā)出光子數之比。流明效率r t 指器件輸出光通量與輸入器件電功率之 比 9 ，1 0 1 。 內量子效率和外量子效率都反映了l e d 的光電轉換效率。一般來說，發(fā)光 效率是指外量子效率。內量子效率、外量子效率和提取效率之間的關系可以由下 面的表達式表示【9 】： 孫= 監(jiān)旅裂掣 ( 2 - 1 ) 其中j ( x , y ) 表示有源層中的電流密度。由于流明效率除了和l e d 的外量子 效率有關外，還與人的視覺函數有關，因此，對于發(fā)可見光的l e d 而言，其流 明效率較量子效率更受關注。l e d 器件流明效率的大小，取決于光譜流明效率 和能量損耗相關等幾個效率的大小。隨著能量損耗相關效率的逐步提升，l e d 器件流明效率也朝著其極限值光譜流明效率逐步提高 1 0 l 。在量子效率相同 1 4 浙江大學碩一 ：學位論文 第二章l e d 及其封裝的概述 的情況下，綠光具有最高的流明效率【9 】。 目前國內外的研制者常常結合光學原理，在芯片的外延結構