摘要：LEDs技術發展到如今，單元光通量的提高已經使得它可以進入通用照 明領域。然而，大功率固態照明單元光通量的提高進程中伴隨著散熱方面的技術瓶頸，散熱處理是否成功直接影響到固態照明的光學參數以及產品的壽命等指標。美國Lamina Ceramics公司開發的LTCC-M技術在大功率LEDs封裝上的應用，階段性地解決了固態照明的熱處理方面的兩個問題大量熱量的疏導和半導體封裝材料的熱參數匹配，為固態照明的廣泛應用提供了解決方案。
2.2熱的影響
2.2.1 LED對溫度敏感，一般來說，結溫要保持在125o C以下以避免性能下降甚至失效。事實上，即使結溫在125oC以下，壽命和輸出光通也會隨著溫度的升高而下降。如何保持LED工作溫度較低以獲得更高的可靠性和光學指標就取決于基板材料的熱傳導性能。圖2.4表明了結溫與發光效率的關系。
2.2.2 同時，結溫與LED的光色也有關系（如圖2.5所示）。一般而言常溫下的光色最為純正，而結溫升高或降低都會造成光色的漂移。不同波長的光對溫度的敏感性不同，綠光的敏感性最高，藍光最不敏感。無論如何，光色的漂移將使得色溫難以穩定，影響白光LED的光學性能。
2.3 LED熱的傳導和疏散
通常來說，固態照明光源需要解決如下幾個環節的散熱問題：
其一、芯片結到外延層；
其二、外延層到封裝基板；
其三、封裝基板到外部冷卻裝置。
這三個環節構成固態照明光源熱傳導的通道，熱傳導通道上任何薄弱環節都會使熱導設計毀于一旦。
結點到周圍環境的熱傳導方式可分為三種：
1、傳導。熱量是通過逐個原子傳遞的，故絕對不能采用高界面熱阻的材料。
2、對流。熱量通過流轉的液體（空氣、水）擴散和對流，再從散熱器傳遞到周圍環境中去，故不要限制或阻止對流。
3、輻射。熱量依靠電磁波經過液體、氣體和真空傳遞，故需要高輻射材料。
總之，為了取得更好的導熱效果，首要的是，三個環節上都需要采用熱導系數高的材料。
2.4熱參數匹配
高熱導性能使得LED芯片結的熱量可以較快地傳導和散發出去，然而材料的熱脹冷縮也是LED封裝的一個值得考慮的問題。為了更可靠起見，還必須考慮材料的熱膨脹系數（TCE）的匹配問題。LED外延材料與封裝材料之間熱膨脹系數（TCE）的差異可能導致LED芯片和封裝之間的開裂，進而導致發光失效或導熱減弱。
眾所周知，大功率LED結溫相當高，在基材上形成的熱壓分布是不均勻的，如圖2.6所示
因為不同材料的熱膨脹系數有較大的差異，在一定的溫度下，熱膨脹系數的差異就有可能導致LED封裝結構的破裂。圖2.7顯示了這一問題的后果。
熱壓超過抗張強度的極限，連接芯片的材料內部就會發生機械裂縫，導致焊層分離。
由于TCE不匹配的問題，超過350攝氏度，就會發生開裂。
表2.2列出了常見材料的TCE值。由表可見，銅和鋁等常用封裝材料與常見LED外延材料相比，其TCE有較大的差距，容易造成封裝結構的損壞。美國Lamina陶瓷公司研究開發的Cu/Mo/Cu（銅/鉬/銅復合金屬）的TCE與半導體外延材料的非常接近，是比較理想的基板材料。
3、熱處理的技術進展
3.3 LTCC-M技術
3.1.1 封裝技術簡況
這里我們簡要回顧一下現有的一些封裝技術。
標準的FR-4玻璃纖維多層基材對高頻信號的衰減太大，而且散熱不好。聚四氟乙烯基材頻譜相應范圍較廣，但是價格很高，而且熱導系數很低，與半導體材料的熱參數也很不匹配。
高溫燒結陶瓷（HTCC）性能相比聚四氟乙烯強得多，但是價格奇高。同時由于HTCC的燒結溫度約在1,400oC到1,500oC之間，電路層必須采用高熔點金屬敷設，這就大大增加了電阻（與貴金屬相比），嚴重影響電路性能。
低溫燒結陶瓷（LTCC）燒結溫度約在950oC，低于銀和金的熔點，更可以廣泛采用各種電阻和絕緣材料一次性燒結模成無源器件。此外，還可以采用多層結構直接植入元器件，而且適合表面貼裝和芯片倒裝。更為可貴的是LTCC具有優異的熱導性能。不過，LTCC燒結時的收縮很難預測，常常需要不斷試驗才能達到最終的設計要求。
3.1.2 LTCC-M技術及其在大功率LEDs封裝中的使用
基于低溫燒結陶瓷技術發展出來的金屬基低溫燒結陶瓷（LTCC-M）將陶瓷直接綁定于金屬上，據此開發的電路具有一系列優點。
首先，燒結時所開的腔穴直達金屬基層，可以在上面直接焊裝元器件，這樣就無須元器件自身背負散熱器，因為LTCC-M的金屬層的熱導系數高達170 W/m C，可以很快把熱傳導出去。
其次，復合金屬基板在燒結時X-Y平面的收縮率僅為0.1%（傳統的LTCC約為12.7%~14.8%），如此微乎其微的收縮率奠定了制作大面積（可達40cm×40cm）基板的可能性。
另外，LTCC-M技術在封裝尺寸方面提供了多種可能。比如，可以堆疊24層，層厚0.05~0.25mm（標準為0.1mm），每層可以布線或植入無源元件。如此擁有復雜電路或有若干分立電路的器件可以封裝在一個較小的體積內。
此外，大面積基板（40cm×40cm）可以集成高密度的元件，擁有更高的翹曲強度。同時，LTCC-M技術可采用大晶圓工藝，可以一次性燒結多個電路再予切分。
美國Lamina公司將所開發的金屬基多層低溫燒結陶瓷技術應用于LEDs封裝，在熱處理方面與傳統封裝方法相比有著大幅度的改善。傳統塑料封裝工作溫度一般不超過70oC，而采用LTCC-M技術，由于其熱到系數高達170-W/mK，工作溫度可高達250oC。另外，由于LED芯片直接焊裝在Cu/Mo/Cu復合金屬基板上形成高密度陣列，目前可以取得90 lm/cm2的光密度。圖3.1為Lamina公司封裝的大功率LED單元結構示意圖，圖3.2為LEDs陣列結構。
LTCC-M技術可應用于封裝大多數廠家的各種LED芯片。
3.1.3 LTCC-M
Lamina開發了LTCC-M新型封裝技術，通過提高熱導系數、降低熱膨脹系數不匹配度來增強LED的熱處理性能。LED芯片直接焊裝在鍍鎳的Cu/Mo/Cu復合金屬基板上，這種基板具有超高的熱導能力和耐熱性能（參見表2.1）。在X-Y平面上的熱導系數達到210 W/m C，Z軸方向達到170 W/m C。 圖3.3為LTCC-M技術封裝的LED的導熱通道和溫度分布示意圖。
與傳統的固態照明光源的散熱通道相比，LTCC-M技術的散熱環節減少了。參照圖3.4可知，由于芯片直接焊裝在復合金屬基板上，散熱效率更高。芯片到封裝基板之間的熱阻系數僅僅相當于傳統方式的1/6。
3.1.4 LTCC-M
LTCC-M技術不僅在散熱效率方面有了可觀的提高，更主要的是，在熱參數匹配方面做出了突出的貢獻。首先我們對比一下不同材料的熱壓分布情況。
由圖3.5可知，Cu/Mo/Cu復合金屬基材的熱壓分布非常均勻，中心區域最高不超過9000psi，而角落的熱壓比中心區域更低。作為參照的鋁基材，中心區域達8000psi，而角落熱壓分布急劇增加，高達30000psi。由于TCE不匹配導致熱壓分布不均勻會引起芯片結的錯位。芯片越大，錯位越多。根據實測，錯位情況如表3.1，可見LTCC-M技術對LED的可靠性和壽命貢獻很多。
3.2系統熱處理設計簡述系統熱處理設
根據LTCC-M的散熱環節可知，發光引擎內部的熱處理設計固然非常重要，模組層級上的以及燈具層級上的散熱裝置對于大功率固態照明來說也極為重要。依據散熱設計的如下基本公式：
式中：
125OC是結溫的典型值，
安全溫度閥值一般來說取10，
TR發光引擎是LED封裝結構自身的熱阻，
TR界面是LED封裝結構與散熱器之間的界面熱阻。
從公式可知，可控制的對散熱器界面熱阻影響最大的是發光引擎熱阻和界面熱阻，其中發光引擎的熱阻基于封裝結構的設計，屬于內部熱處理環節，而界面熱阻屬于外部熱處理環節，相對容易解決。
3.2.1 就界面熱阻而言，空氣間隙是最大的敵人。從圖3.6看，盡管發光引擎與散熱器之間肉眼觀察的間隙極小，但是由于材料表面固有的平整度問題，實際上還是存在著微細的氣穴。由于空氣的界面熱阻很大，不利于熱擴散，故大大增加了整體界面熱阻。
粗略分析，降低界面熱阻的方法可有：
增加界面材料的平整度，減小氣穴容積，降低空氣的存量。
施加更高的壓力。從圖3.7可見，幾乎對所有材料而言，接觸壓力越大，則其熱阻越小。
填充導熱材料，驅除空氣并以更高的導熱性能傳遞和散發熱量。常見的填充材料包括：焊料、導熱油脂、絕緣膠墊、導熱環氧樹脂、相變材料等等。
3.2.2 作為最后一個環節，散熱器本身也有關整個系統的熱處理效果。在自然對流情況下，散發的熱能和與環境溫度的溫差大致成正比，如圖3.8。而在強制對流情況下，對流速度越快，則散熱器本身的熱阻越小，如圖3.9。
此外，散熱效果與散熱器的幾何形狀和散熱方向也有關系。
不同幾何形狀和方向的熱傳遞系數 h 和散熱效果如表3.2所示。散熱器散熱片的朝向對散熱效果的不良影響在非固定燈具上難以避免，需要在燈具設計時確定其使用場所和安裝方位角度等等因素。
表3.2 散熱器的形狀和朝向與散熱性能的關系
4、結論
LTCC-M技術出色的熱
導性能提高了大量熱量的散發能力，在一定程度上外在地解決了大功率固態照明的瓶頸過高的結溫所引發的一系列問題。當然，提高固態照明的量子效率，內在地減少熱源才是根本之道。
LTCC-M技術的熱參數匹配特點提高了固態照明光源的可靠性，延長了壽命；
基于LTCC-M技術的固態照明光源封裝技術大大提高了單位封裝面積內的光通量指標，使得實用級的大功率固態照明光源成為可能。圖4.1就不同封裝技術作了對比。
關鍵詞：固態照明，LED，熱阻，熱膨脹系數匹配
1、固態照明簡述
通常，我們將采用了LEDs、OLEDs或發光聚合物技術的照明應用稱作固態照明。固態照明是近百年來照明技術的真正革命。由于半導體材料將電能直接轉化為光，所以固態照明具有與傳統照明光源最大的不同在于它的光線不會產生熱量。LEDs在它30多年的發展歷史中，一直主要作為指示應用，而直到最近才有所突破，在一些照明領域開始局部的應用。
固態照明的研究領域包括七個方面：基礎結構、封裝結構、壽命、量子效率、可靠性和可控性、降低造價。本文所介紹的主要著眼于封裝結構中的熱處理技術。
本文所稱大功率固態照明光源，僅限于單元光通量在50流明以上的照明用白光LED，即包括高亮度白光LED（單元光通量大于50lm小于250流明）和超高亮白光LED（單元光通量大于250流明）。
2、固態照明的熱問題及其影響
為了適應通用照明的需要，固態照明光源迫切需要解決單元光通量的問題。圖2.1表明，近年來，LED單元光通量的增幅還是很大的。然而每單元光通量的增加伴隨著每單元發熱量的增加，而熱量的增加又帶來相應的問題。主要表現為幾個方面：發光效率隨著結溫的升高而降低、光色隨著結溫的升高而漂移、LED封裝結構隨著熱量的增加而產生機械強度問題、為了散熱使得單元的體積增加。
固態照明光源熱的問題關系重大，據有關資料分析，大約70%的故障來自于LEDs的溫度過高，并且在負載為額定功率的一半的情況下，溫度每升高20oC，故障率就上升一倍。
2.熱的產生
與傳統光源一樣，固態照明光源工作期間也會產生熱量，其多少取決于量子效率。我們可以回顧一下固態照明光源的熱量產生機制。如圖2.2、圖2.3所示，在外加能量作用下，電子和空穴的輻射復合而發生的電致作用將能量的30-35%轉化為光能（量子效率），而非輻射復合發生的點陣振動將其余65-70%的能量轉化為熱能。 |
