大功率LED的封装及其散热基板的研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李华平 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2007-06-12 |
| 授予单位 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 |
| 导师 | 彭文达,柴广跃 |
| 关键词 | 功率型-LED封装 MCPCB 热沉 有限元法 AlN薄膜 等离子微弧氧化 淬冷 微观结构 |
| 学位专业 | 物理电子学 |
| 中文摘要 | 散热问题影响到LED的光输出特性和器件的寿命，是大功率LED封装中的关键问题。金属芯的线路板（MCPCB）是LED白光照明系统中连接内外热通路的核心部件，关系到多芯片LED封装的结构和布局； LED外封装的可靠性-整个系统的电气连接，物理支撑，散热特性，封装的工艺流程以及成本，很大程度上取决于MCPCB。 本文剖析了几种比较有影响力的LED封装方案的结构和散热原理。从解决大功率发光二极管散热和材料热膨胀系数匹配的角度，提出了两种MCPCB方案，并用ANSYS软件对LED进行了热场的有限元模拟以评估其散热性能： 1. AlN薄膜覆Al基板，可以使内热通道的设计变得非常简单，可以高效地把芯片的热量引导出来。利用磁控溅射系统在6061铝材上制备了3μm的AlN薄膜，X射线衍射仪（XRD）、椭偏测试仪、耐压测试表明，AlN膜为具有良好取向的多晶薄膜，击穿电压接近单晶。利用自动划痕仪对AlN膜进行剥离实验，临界载荷为6N左右。AlN和铝基体间的结合主要是物理吸附和机械锚合。基于AlN膜/Al热沉的LED的封装结构的散热性能优异，模型的内通道热阻小于3K/W。 这种方案目前尚需解决的问题是生产的效率尚待提升，成本较高，AlN膜与铝基的结合力有限，在后续的封装工艺中膜的附着性较难保证。 2. 等离子微弧氧化(MAO)工艺制作的铝芯金属基板，附着性等机械性能无可争议，MAO铝芯复合基板的工艺重复性好，其低成本、低热阻、性能稳定、便于加工和进行多样结构的封装更是其突出优点。基于MAO-MCPCB基板封装的LED内热通路热阻小于10K/W，有望在普通照明应用中大露头角。热导率更高、厚度更薄的MAO膜，其内部散热通道更通畅，热阻更低。 通过系列实验，优化了20μm到40μm MAO膜的工艺参数，可以制作膜厚20μm、偏差±1μm（磨抛前）结晶性优良的MAO膜，其热导率达到2.3 W K-1m-1。基于本论文中特殊的应用场合，对厚度20μm到100μm的MAO膜的微观结构（主要是膜的均匀性、表观形貌、表面缺陷）有更多的关注。 微弧氧化是生成与溶解的共存过程，期间火化放电的强弱、发生的时序以及相互位置关系对膜的均匀性和膜的微观结构形成有决定性的影响。故本论文对表面放电的规律和微熔区的凝固规律作了较深入的研究： 1. 对微弧氧化的击穿放电机制，提出了一种基于趋肤效应的假设：氧化膜和铝基体的界面凹凸不平，在微观上有许多尖端和凹区，由于电荷在铝表面有趋肤效应，尖端形成富电荷区而微观凹区形成贫电荷区。因为正负电荷相吸的原理，正电荷（电子空位, 或电子浓度相对较低）在铝表面的分布影响了负电荷（杂质阴离子）在膜/液界面的分布。从而在铝界面的微观尖端位置上加载的电场强度远高于其它区域，击穿更容易发生。经过长时间放电，氧化膜和铝基体的界面不再存在对比非常强的“贫电荷区”和“富电荷区”，击穿放电几率就基本上由所在位置的绝缘强度即厚度决定，这样最终陶瓷膜的厚度生长到比较均衡的程度，场强因而比较均衡地分布，从而击穿放电事件减少甚至终止。 2. 通过实验和模拟拟合，对微弧氧化过程中Al2O3膜表面的对流散热系数作了估计, 实验过程中发现Al2O3/Al界面在微观上也是一个冷却界面，Al基体在冷却过程中起“热量中转”的作用，熔池在淬冷过程中的大部分热量经过了邻近区域的Al2O3膜或者铝基体。通过热模拟得到的纵深各点温度-时间曲线来表征微熔区的淬冷过程。通过对各节点的相对冷却速度比较，阐述了淬冷过程对α-Al2O3分布和Al2O3膜表面形貌的影响，压力因素在微观结构形成过程中所产生的影响作了粗略的分析。 放电规律针对的主要是均匀成膜和高效率成膜的问题，凝固规律针对的主要是MAO膜微观结构的形成机制。这正是基板制作所重视的两个方面。 |
| 学科主题 | 物理电子学 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2011-10-09 |
| 页码 | 118 |
| 源URL | [http://ir.opt.ac.cn/handle/181661/12022]  |
| 专题 | 西安光学精密机械研究所_中国科学院西安光学精密机械研究所(2010年前) |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李华平. 大功率LED的封装及其散热基板的研究[D]. 中国科学院西安光学精密机械研究所. 2007. |
入库方式： OAI收割
来源：西安光学精密机械研究所
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