大功率LED结温测量及发光特性研究

介绍了基于正向电压法原理自行研制的大功率LED结温测试系统,结温定量测量精度可达±0.5 ℃.利用该系统对不同芯片结构与不同封装工艺的大功率LED热阻进行了测量比较,并对不同结温的大功率LED发光特性进行了研究.结果表明,不同结构芯片温度-电压系数K明显不同;采用热导率更高的粘结材料和共晶焊工艺固定LED芯片,会明显降低封装层次引入的热阻.结温对光辐射功率有直接影响,若保持结温恒定,光辐射功率随电流增大线性增加;若保持外部散热条件不变,热阻大的芯片内部热量积累较快,导致结温上升速度更快,光效随电流增加而下降的趋势也更为严重.     

倒装焊器件封装结构设计

倒装焊是今后高集成度半导体的主要发展方向之一。倒装焊器件封装结构主要由外壳、芯片、引脚(焊球、焊柱、针)、盖板(气密性封装)或散热片(非气密性封装)等组成。文章分别介绍外壳材料、倒装焊区、频率、气密性、功率等方面对倒装焊封装结构的影响。低温共烧陶瓷(LTCC)适合于高频、大面积的倒装焊芯片。大功率倒装焊散热结构主要跟功率、导热界面材料、散热材料及气密性等有关系。倒装焊器件气密性封装主要有平行缝焊或低温合金熔封工艺。     

GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析

与正装LED相比,倒装焊芯片技术在功率型LED的散热方面具有潜在的优势.对各种正装和倒装焊功率型LED芯片的表面温度分布进行了直接测试,对其散热性能进行了分析.研究表明,焊接层的材料、焊接接触面的面积和焊接层的质量是制约倒装焊LED芯片散热能力的主要因素;而对于正装LED芯片,由于工艺简单,减少了中间热沉,通过结构的优化,工艺的改进,完全可以达到与倒装焊LED芯片相同的散热能力.     

基于有限元分析的LED肋片散热器非等距排列研究

为了降低LED芯片的结温,国内外的专家和学者主要从改进LED的封装结构,选取合适的LED封装材料等方面来研究。通过对比分析各种散热方法,本论文指出散热器对降低LED芯片的结温有很大的作用,并且散热器的散热面积越大越好,选择合适的散热片来增加散热面积将是一个重点[3]。本文通过有限元软件对模型进行仿真分析。通过改变散热器的肋片的形状,排列方式以及制作材料来比较在不同状况下的温度场分布,对比分析出这些参数对LED芯片结温的影响。     

多芯片贴片式LED器件结温测量

结温是多芯片LED器件热性能的关键参数。以SMD5050 LED器件为例,研究了多芯片贴片式LED器件结温测量方法。SMD5050 LED是一种多芯片贴片式封装的LED器件,器件内封装有3颗芯片,3颗芯片之间并联。根据单芯片LED器件热阻测试原理,模拟SMD5050 LED器件正常工作时的状态,对SMD5050 LED器件的结温进行了测量,并根据LED芯片特性,验证了测量结果的准确性,这种方法适用于封装结构相似的其他多芯片LED器件结温的测量。     

硅衬底结构LED芯片阵列封装热可靠性分析

LED阵列封装是高密度电子封装的解决方案之一,LED的光集成度得到提高,总体输入功率提高,但同时其发热量大,封装结构如果不合理,那么在温度载荷下各层材料热膨胀系数的差异将会导致显著的热失配现象,从而将会大大缩短LED的寿命。为此,兼顾散热和封装的可靠性设计与表面贴装式将芯片直接焊接在铝基板上不同的是采用硅衬底过渡,同时在硅衬底上布置电路这一结构。这种结构的优点是可以通过硅衬底的过渡来降低热失配对封装结构的影响,同时硅衬底作为电路层则省去了器件引脚。通过对4×4的LED芯片阵列结构进行有限元模拟,分析了温度对带有硅衬底的LED芯片阵列封装可靠性影响,同时对硅衬底进行分析和总结。     

GaN基倒装焊LED芯片的热学特性模拟与分析

采用有限元方法建立了GaN基倒装LED芯片的三维热学模型,并对其温度分布进行模拟,比较了在不同凸点(焊点)分布、不同粘结层材料与厚度、不同蓝宝石衬底厚度及蓝宝石图形化下的倒装芯片温度分布,研究了粘结层空洞对倒装芯片热学特性的影响,并根据芯片传热模型对模拟结果进行了分析。     

提高小功率白光LED热特性的新方法

在传统直插式LED封装方法的基础上,提出了一种在环氧树脂中添加氮化硼(BN)填料的改进LED封装工艺。测量了BN填料质量分数与导热系数的关系,利用有限元分析软件ANSYS分析和实验测试了采用改进封装工艺φ5 mm白光LED的芯片结温、热阻等参数,并与传统封装方法的白光LED进行比较。结果表明:采用改进封装结构φ5 mm白光LED结温比传统封装方法下降4.5℃,热阻下降了17.8%,同时提高了初始光通量,降低了光衰。     

助焊剂残留对底部填充粘接强度的影响

随着封装工艺的不断发展,芯片I/O数越来越多,高密度芯片封装必须采用倒装焊的形式。底部填充作为芯片倒装焊封装后的加固工艺,填充胶与倒装焊使用的助焊剂的兼容性对于研究倒装焊电路的长期可靠性至关重要。分析了底部填充胶与助焊剂的兼容性,以及助焊剂的残留对底部填充胶加固效果的影响。若助焊剂清洗不干净,会导致底部填充胶的粘接力下降,影响器件的质量。     

功率LED柔性封装结构的设计与热特性分析

根据功率LED的柔性封装要求,提出了基于贴片式(SMD)封装的功率型LED柔性封装结构。对各层结构进行了优化设计,采用有限元分析(FEA),模拟了柔性封装结构LED的热场分布。对比研究了柔性LED与传统封装结构LED的热特性,并对弯曲状态下柔性衬底材料对芯片的应力进行了分析。结果表明,采用金属Cu箔衬底的柔性封装结构,其散热特性较好;Cu/超薄玻璃复合衬底替代Cu箔衬底,可以减少弯曲的应力,减少幅度达到2.5倍,散热特性基本相同。SMD柔性封装的LED不仅具有较好的热稳定性,且具有柔性可挠曲特性,其应用潜力很大。     

带有TSV的硅基大功率LED封装技术研究

介绍了一种带有凹槽和硅通孔(through silicon via,TSV)的硅基制备以及晶圆级白光LED的封装方法。针对硅基大功率LED的封装结构建立了热传导模型,并通过有限元软件模拟分析了这种封装形式的散热效果。模拟结果显示,硅基封装满足LED芯片p-n结的温度要求。实验结合半导体制造工艺,在硅基板上完成了凹槽和通孔的制造,实现了LED芯片的有效封装。热阻测试仪测得硅基的热阻为1.068K/W。实验结果证明,这种方法有效实现了低热阻、低成本、高密度的LED芯片封装,是大功率LED封装发展的重要方向。     

Thermal investigation of LED array with multiple packages based on the superposition method

In this paper, the superposition method is used to investigate the complete temperature field of a light-emitting diode (LED) packaging substrate, based on the results of transient temperature rise measurements and the thermal resistance coupling matrix. The feasibility of use of the superposition method in an LED array with multiple packages has been proved first by temperature comparisons with the simultaneous operation of an array (5×5) of 25 high power LEDs mounted on a metal core printed circuit board (MCPCB). Compared with existing approaches, the superposition method will measure the internal temperature of chip directly, accurately and nondestructively. According to the relatively accurate and reliable self-heating and coupling temperature rise data, optimization scheme of LED lamp with multiple packages is proposed. The results show that increasing the heat source separation distance and improving the thermal conductivity of thermal interface materials will reduce the temperature rise and thermal non-uniformity.     

Design and Simulation of High-power LED Array Packaging

Thermal management is one of the key technologies for high-power Light emitting diode（LED） entering into the general illuminating field. Successful thermal management depends on optimal packaging structure and selected packaging materials. In this paper, the aluminum is employed as a substrate of LED, 3×3 array chips are placed on the substrate, heat dissipation performance is simulated using finite element analysis（FEA） software, analyzed are the influences on the temperature of the chip with different convection coefficient, and optical properties are simulated using optical analysis software. The results show that the packaging structure can not only effectually improve the thermal performance of high-power LED array but also increase the light extraction efficiency.     

陶瓷复合FR4结构界面形貌与导热性能

基于热电分离式设计理念,将AlN陶瓷片金属化后作为微散热器嵌入FR4材料内形成了复合散热基板.采用电镜扫描、光学显微,通过冷热循环冲击试验对FR4与AlN两相界面处在高低温突变情况下的界面形貌进行了分析.利用ANSYS软件对基板进行了仿真热模拟,研究了AlN嵌入后FR4导热性能的变化规律.利用结温测试仪、功率计和半导体制冷温控台等仪器设备,通过结温测试对比研究了该复合散热结构与金属芯印刷电路板(MCPCB)对大功率LED封装散热效果的影响.结果表明,该复合散热基板在经低温-55℃,高温125℃,1 000个冷热循环后,FR4和AlN界面无剥离现象发生,在环境温度急剧变化的条件下结合力良好.同时,FR4在嵌入AlN之后,导热性能得到了明显改善,且与MCPCB相比,能更有效降低LED芯片结温.     

大功率LED封装有限元热分析

介绍了有限元软件在大功率LED封装热分析中的应用,对一种多层陶瓷金属(MLCMP)封装结构的LED进行了热模拟分析,比较了不同热沉材料的散热性能,模拟了输入功率以及强制空气冷却条件对芯片温度的影响.结果表明当达到热稳态平衡时,芯片上的温度最高,透镜顶部表面的温度最低,当输入功率达到3 W时,芯片温度超过了150℃,强制空冷能显著改善器件的散热性能.     

基于COB技术的LED散热性能分析

当前,散热问题已成为影响LED寿命、光效、光衰和色温等技术参数的重要因素。文章在综合分析散热技术和LED封装对散热性能影响的基础上,利用COB(板上芯片)封装技术,将LED芯片直接封装在铝基板上,研制成了一种基于COB封装技术的LED。与SMD封装LED进行比较,分析了其散热性能。分析结果表明:基于COB封装技术的LED减少了LED器件的结构热阻和接触热阻,使其具有良好的散热性能。     

LED结温、热阻构成及其影响

LEDPN结温上升会引起LED光学、电学和热学性能的变化,甚至过高的结温还会导致封装材料(例如环氧树脂)、荧光粉物理性能变坏,LED发光衰变直至失效,因此分析LED结温、热阻构成,如何降低PN结温升,是应用LED的重要关键所在。     

Heat dissipation design and analysis of high power LED array using the finite element method

High-power Light Emitting Diode (LED) technology has developed rapidly in recent years from illumination to display applications. However, the rate of heat generation increases with the LED illumination intensity. The LED chip temperature has an inverse proportion with the LED lifetime. High-power LED arrays with good thermal management can have improved lifetime. Therefore, for better optical quality and longer LED lifetime it is important to solve the LED thermal problems of all components. In particular, Metal Core Printed Circuit Board (MCPCB) substrate heat sink design and thermal interface materials are key issues for thermal management. This paper presents an integrated multi-fin heat sink design with a fan on MCPCB substrate for a high-power LED array using the finite element method (FEM). The multi-fin heat sink design and simulation results provide useful information for LED heat dissipation and chip temperature estimation.     

大功率白光LED封装技术对器件寿命的影响

通过功率LED器件封装工艺技术的改进来降低芯片结温,从而减缓器件光衰速率,延长其预期的工作寿命时间。对用于封装的关键原材料的选取进行了对比实验,指出了采用纳米级材料改进导热可降低热阻,论述了正确选用混胶材料和工艺,可以减缓器件光衰速率,达到在较高的环境温度条件下,器件使用寿命大于50 000 h。论述了器件芯片的结温对光、电、色性能的影响和不同结温其预期工作寿命时间也不同的关联性。