铝/氧化铝复合基板封装的LED光源的光热特性 
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1 引言
白光发光二极管(LED)因具有节能、环保、寿命长等优点已逐渐取代传统照明光源,是继白炽灯、荧光灯之后的第4代照明光源[1-3]。LED光源主要由封装基板、芯片、荧光粉三个部分组成[4]。芯片发出蓝光,经芯片表面出射后激发荧光粉产生黄光,黄光和蓝光混合产生白光[5]。目前应用于LED封装的基板主要有金属芯印刷基板(MCPCB)、金属基复合基板和氧化铝(Al2O3)陶瓷基板,材料多为铝(Al)、铜等高导热金属材料和高导热陶瓷材料[6]。除此之外,LED封装结构中还需要选择封装材料的折射率和基板的反射系数,用以提高LED的出光效率[7]。
金属铝基板通常由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成,具有良好的加工性能和较好的导热性能,因此被广泛应用于大功率LED的封装。随着LED封装形式的发展和倒装芯片的出现,新型板上芯片直装(COB)和芯片尺寸封装(CSP)开始在LED封装过程中得到应用[8]。然而,金属基板表面的绝缘层多为低导热系数的聚合物薄膜材料,热阻较大,而且金属基板的热膨胀系数较大,与芯片不匹配,容易导致热失效的发生[9]。随着白光LED功率的进一步提高,封装密度和单颗芯片的功率都大幅度提升,对封装结构和封装基板材料提出了更高要求,不仅要求其具有高的导热率,而且还要求与芯片的热膨胀系数匹配。陶瓷基板由于具有较高的导热系数、与芯片相匹配的热膨胀系数以及良好的化学稳定性和电绝缘性能,因此在大功率白光LED封装中得到广泛关注[10]。目前已经用于大功率白光LED封装的陶瓷基板有直接敷铜(DBC)陶瓷基板、厚膜陶瓷基板、低温共烧陶瓷(LTCC)基板和薄膜陶瓷基板等,有效地解决了LED灯的散热问题和寿命问题,提高了LED的发光光效[11]。然而,由于氧化铝陶瓷基板本身的反光率较低,因此封装后的LED光源的出光效率也会有所降低。采用光亮铝基板可以有效提高LED发光器件的光效,但是光亮铝基板表面绝缘层的制备困难,导致其耐压性能和安全性能下降[12]。因此,获得同时具有高出光率和高导热的LED封装基板,是研究者一直追寻的目标。
本文采用直接敷铝方法制备铝/氧化铝陶瓷复合基板,同时采用化学机械抛光技术对复合基板的铝金属层进行镜面抛光。采用光学模拟软件Tracepro和热学模拟软件ANSYS对该复合基板封装的LED器件的光热性能进行模拟分析,同时采用所制备的铝/氧化铝复合基板进行了LED的封装,对封装的LED光源的光热性能进行测试并与氧化铝基板封装的LED光源进行对比分析。
2 铝/氧化铝复合基板的制备及表面铝层的化学机械抛光
2.1 铝/氧化铝复合基板的制备
在He H等[13]提出的氧化铝陶瓷基板铜金属化的基础上,采用直接敷铝工艺制备铝/氧化铝复合陶瓷基板,其制备过程如
按照
图 2. 铝/氧化铝复合基板的界面显微结构。 (a)直接敷铝工艺;(b)钎焊工艺
Fig. 2. Interface microstructure of Al/Al2O3 composite substrate. (a) Direct bonded aluminum; (b) soldering technology
从
采用剥离强度实验对两种敷接工艺制备的铝/氧化铝复合基板力学性能进行测试,测试方法同文献[
15],测试结果如
图 3. 直接敷铝工艺与钎焊工艺制备的铝/氧化铝复合陶瓷基板的剥离强度
Fig. 3. Peel strength of Al/Al2O3 composite ceramic substrate prepared by direct bonded aluminum and soldering technology
2.2 铝/氧化铝复合基板表面铝层的化学机械抛光
为提高铝/氧化铝复合基板表面铝箔的反射率,需要对铝/氧化铝复合基板的金属铝表面进行抛光处理以降低粗糙度,从而提高其反射率。通过三种不同的抛光工艺(化学抛光、电解抛光和化学机械抛光)对铝/氧化铝复合基板的金属铝表面分别进行了抛光。
图 4. 不同抛光处理的铝/氧化铝复合陶瓷基板表面三维形貌。(a)未处理;(b)化学抛光;(c)电解抛光;(d)化学机械抛光
Fig. 4. 3D surface topography of Al/Al2O3 composite ceramic substrate disposed by different polishing methods. (a) Untreated; (b) chemical polishing; (c) electrolytic polishing; (d) chemical-mechanical polishing
图 5. 不同抛光处理制备的铝/氧化铝复合陶瓷基板的表面粗糙度曲线。(a)未处理;(b)化学抛光;(c)电解抛光;(d)化学机械抛光
Fig. 5. Surface roughness curves of Al/Al2O3 composite ceramic substrate disposed by different polishing methods. (a) Untreated; (b) chemical polishing; (c) electrolytic polishing; (d) chemical-mechanical polishing
图 6. 不同抛光处理的铝/氧化铝复合陶瓷基板表面铝层的反射率
Fig. 6. Reflective index of Al/Al2O3 composite ceramic substrate disposed by different polishing methods
采用紫外-可见分光光度计(UV-3600,日本岛津)对4种不同表面处理工艺的铝/氧化铝复合基板的反射率进行了测试,测试结果如
3 采用铝/氧化铝复合基板封装的LED光源的光热模拟
为探究基于抛光处理的铝/氧化铝复合基板封装的LED光源的光学和热学性能,本研究采用计算机模拟方法对采用铝/氧化铝复合基板的光学性能和热学性能进行分析。
3.1 铝/氧化铝复合基板封装的LED光源的光学模拟
图 7. 圆形反光杯的三维光学模型。 (a)传统氧化铝陶瓷基板;(b)高反射率铝/氧化铝陶瓷基板
Fig. 7. 3D optical model of round reflective cup. (a) Traditional Al2O3 ceramic substrate; (b) Al/Al2O3 ceramic substrate with high reflective index
表 1. COB封装模型各部分的相关参数
Table 1. Relative parameters of each part of COB packaging model
|
根据上述光学模拟的预设参数与光学设计方案,采用Tracepro建立模型并进行光学模拟,
图 9. 采用氧化铝陶瓷基板封装的LED的出光效率模拟结果。(a)矩形光强分布图;(b)等光强极坐标图
Fig. 9. Simulation result of luminous efficiency of LED packaged by Al2O3 ceramic substrate. (a) Rectangular candela distribution plot; (b) polar iso-candela plot
图 10. 采用铝/氧化铝复合基板封装的LED的出光效率模拟结果。(a)矩形光强分布图;(b)等光强极坐标图
Fig. 10. Simulation result of luminous efficiency of LED packaged by Al/Al2O3 composite substrate. (a) Rectangular candela distribution plot; (b) polar iso-candela plot
对比上述光学模拟计算结果可知,当基板表面的反射率从85%提升至95.3%,LED光源的总光通量从180.28 lm提升至204.8 lm,出光效率提升了13%。光学模拟结果表明,采用经过表面抛光处理的高反射率铝/氧化铝基板进行封装,可以有效提升LED光源的出光光效。
3.2 铝/氧化铝复合基板封装的LED光源的热学模拟
为了考察铝/氧化铝复合基板对于封装后LED光源的散热性能的影响,采用ANSYS热学模拟的方法对直接敷铝法制备的铝/氧化铝复合基板封装的LED光源的散热性能进行模拟,同时为了对比,对采用钎焊工艺的复合基板封装的LED光源的散热性能也进行了模拟。两种封装基板的结构示意图如
图 11. 两种不同工艺制备的铝/氧化铝陶瓷基板的结构。 (a)钎焊工艺;(b)直接敷铝工艺
Fig. 11. Structure of Al/Al2O3 ceramic substrate prepared by two different technologies. (a) Soldering technology; (b) direct bonded aluminum
采用ANSYS有限元分析软件分别对
图 12. 采用铝/氧化铝复合基板的封装散热结构模型
Fig. 12. Encapsulation heat dissipation model of Al/Al2O3 composite substrate
表 2. 铝/氧化铝复合基板的尺寸及相关热物理性能参数
Table 2. Size and relative thermal physical property parameters of Al/Al2O3 composite substrate
|
为便于软件模拟和计算,对基于铝/氧化铝复合基板的封装结构模型进行如下假设:1)计算过程主要考虑封装模型达到稳态时的散热过程;2)空气密度采用布西内斯克近似;3)除了密度值外,空气的其他物性参数看作定值。
对两种复合基板表面各施加一个热功率为4 W的热载荷,通过有限元分析软件计算整个封装结构达到稳态后的温度场分布。
图 13. 4 W热功率载荷稳态下不同基板对应的封装结构温度分布图。 (a)直接敷铝基板;(b)钎焊基板
Fig. 13. Steady-state temperature distribution of encapsulation structure with different substrates under the thermal power of 4 W. (a) Direct bonded aluminum substrate; (b) soldering substrate
图 14. 不同热功率载荷下使用不同方法制备的铝/氧化铝陶瓷基板的封装结构的温差
Fig. 14. Temperature difference of encapsulation structure with Al/Al2O3 ceramic substrate prepared by different preparation methods under different thermal power loads
从
由
4 基于铝/氧化铝复合基板的LED光源的光学性能和散热性能测试
为探索实际封装后的样品的出光效果和散热性能,采用所制备的高反射率铝/氧化铝复合基板与氧化铝陶瓷基板分别封装成LED光源,封装芯片选用460 nm的蓝光芯片(三安2646),封装样品如
图 16. 封装后的LED光源的光强分布图与拟合曲线。 (a)普通氧化铝陶瓷基板;(b)铝/氧化铝复合陶瓷基板
Fig. 16. Light intensity distribution and fitting curve of packaged LED source. (a) Normal Al2O3 ceramic substrate; (b) Al/Al2O3 composite ceramic substrate
由
图 17. 自制基板导热性能测试装置示意图
Fig. 17. Schematic of homemade substrate heat conduction performance testing device
采用自制导热性能测试装置对直接敷铝法和钎焊工艺制备的铝/氧化铝复合基板样品的散热性能进行了测试,测试原理如
如
图 18. 不同工艺制备的陶瓷基板的导热性能。 (a)直接敷铝工艺;(b)钎焊工艺
Fig. 18. Heat conduction performance of ceramic substrate prepared by different technologies. (a) Direct bonded aluminum; (b) soldering technology
如
5 结论
采用直接敷铝工艺制备了铝/氧化铝复合陶瓷基板,对其表面铝层采用化学机械抛光处理,采用计算机模拟方法对该基板的光学性能和散热性能进行了模拟,同时也采用抛光后的铝/氧化铝基板进行LED光源的实际封装,对封装后的光源的出光光强和散热性能进行实际封装测试。研究结果表明,采用直接敷铝工艺制备的铝/氧化铝复合基板界面结合紧密,具有良好的敷接强度,同时采用化学机械抛光制备的样品反射率达到95.3%。热学仿真模拟计算表明直接敷铝工艺制备的复合基板的散热能力要高于钎焊工艺制备的基板;光学模拟计算表明基于高反射率复合基板设计的光源光通量为204.8 lm,比普通氧化铝陶瓷基板高13%。将高反射率复合基板封装成COB型LED光源,其平均光强为1.032 cd,高于普通基板封装后的光源光强0.956 cd。散热性能测试结果表明直接敷铝法制备的基板在热平衡时系统内外温差更小,优于氧化铝陶瓷基板封装的LED光源样品的散热能力。
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朱海涛, 傅仁利, 费盟, 王彩霞, 季磊. 铝/氧化铝复合基板封装的LED光源的光热特性[J]. 光学学报, 2017, 37(10): 1023002. Haitao Zhu, Renli Fu, Meng Fei, Caixia Wang, Lei Ji. Optical and Thermal Performance of LED Light Source Packaged by Al/Al2O3 Composite Substrate[J]. Acta Optica Sinica, 2017, 37(10): 1023002.
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