LED散熱用鏡面鋁不同表面處理的性能

杜元寶，張耀華，蔡曉寧,劉永福

(1.寧波升譜光電股份有限公司，中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江 寧波 315000；2.中國科學院大學，北京 100049)

引言

隨著大功率LED正向高電流度、高光通量發展，散熱問題一直是急需解決的問題。散熱效果的好壞直接影響到LED燈的壽命和發光效率。有效地解決大功率LED封裝器件的散熱問題，對提高LED器件可靠性和壽命具有重要意義。普通絕緣層的鋁基板導熱系數在1～8 W/(m·K)。鏡面鋁是一種基于傳統PCB的熱電分離技術的高導熱鋁基板，導熱系數是137 W/(m·K)，大大地提高了LED芯片的散熱能力，是一款開發出來專門用于大功率集成光源的一種基板材料。鏡面鋁基板不但具有硫化能力，而且散熱更快，鏡面反射率高達98%以上，LED光效也能顯著提高。目前采用鏡面鋁為基板的大功率LED封裝器件是LED芯片通過固晶工序直接貼在鏡面化處理的鋁基板上，不僅可把其他散光從基板底部給反射過來，提高光效，而且減少了中間的熱阻，熱量直接由芯片傳遞到散熱基板上，散熱性能得到顯著提高。目前鏡面鋁基板的鏡面反射主要是靠銀進行反射，銀具有天然的高反射的特性，但其卻很容易被氧化，因此鍍層表面要進行防氧化處理，防氧化鍍層目前主要有TiO2和SiO2組合以及TiO2和Al2O3組合兩種。這兩種鍍層在實際應用中都會出現不同程度的鍍層脫落和高溫衰減以及硫化問題，本文主要對TiO2和SiO2組合以及TiO2和Al2O3兩種鍍層失效的原因進行分析，同時研究采用Nb2O5和Al2O3組合作為鏡面鋁表面的防氧化鍍層，同時在銀層表面增加一層粘接層來提高鍍層間結合力來改善鋁基板在防硫化、高溫衰減、鍍層結合力方面性能[1-3]。

1 理論依據

首先從與基片相鄰的底層膜開始，將底層膜的兩個界面等效成一個界面，然后再將這個等效界面與上一個界面等效為一個界面，依次往上遞推到膜系的頂層的第一個界面，根據菲涅爾多層膜的系數遞推法如式(1)所示。

(1)

2 實驗設計

實驗首先制備三種鏡面鋁材，襯底基材選用相同的1090純鋁作為基底，分別采用型號為EJEX°-1陽極氧化和型號為XLT-106電鍍設備以及型號為CJ2500濺射設備在純鋁表面制備防氧化鍍層處理，復合鍍層結構如圖1～圖4所示，其中粘接層厚度為200 nm，Al2O3和TiO2以及Nb2O5厚度為1 μm，銀層厚度為2 μm，鏡面鋁鍍層加工處理方式主要采用氧化、電化學、濺射及電子蒸鍍的處理方式，鏡面鋁樣品制備好后，首先將三種處理好的鏡面鋁的鋁材在高溫烘烤下做反射率測試，具體為在LED燈光照射的180 ℃高溫條件下持續烘烤2 000 h分別對三種鋁材做全反射測試、450 nm、550 nm單波長反射率測試。其次，將三種鋁材制備成LED封裝基板，表面覆蓋一層硅膠做保護，將三種基板做防硫化測試，具體為將2 g純度為99%的硫粉分別和三種LED封裝基板一起放置密閉的容器中，150 ℃高溫持續烘烤4 h,觀察三種LED封裝基板的鏡面變化情況，最后通過百格測試對三種鋁材的復合鍍層進行粘接力測試[4-7]。

圖1 TiO2和SiO2鍍層處理

圖2 TiO2和Al2O3鍍層處理

圖3 Nb2O5和Al2O3鍍層處理

圖4 LED鏡面鋁基板結構圖

3 結果與分析

3.1 高溫反射測試分析

1)在180 ℃烤箱(內置LED燈光)持續烘烤2 000 h，三種表面處理全反射測試，見圖5。

圖5 三種表面處理全反射測試

2)在180 ℃烤箱(內置LED燈光)持續烘烤2 000 h，在450 nm波長的三種表面處理反射率測試，見圖6。

圖6 三種表面處理450 nm反射率測試

3)在180 ℃烤箱(內置LED燈光)持續烘烤2 000 h，在550 nm波長的三種表面處理的反射率測試，見圖7。

圖7 三種表面處理550 nm反射率測試

在高溫反射率測試中，我們發現，三種防氧化復合鍍層在起始，反射率基本相同，但是隨著時間的加長，反射率逐漸下降。Nb2O5和Al2O3的表面復合鍍層在高溫下全發反測試以及后面450 nm、550 nm單波長的反射率測試衰減最小，表現最優，TiO2和Al2O3的復合鍍層表現其次，采用TiO2和SiO2的復合鍍層高溫反射性能最低[8-10]。

導致TiO2和Al2O3以及TiO2和SiO2兩種防氧化鍍層高溫反射率下降快的原因，是由于TiO2是一種N型半導體材料，能帶是由一個充滿電子的低能價帶和一個空的高能導帶構成，禁帶寬度為3～3.2 eV, 與一個390 nm左右的光子能量相當，臨近可見光短波部分。

圖8 TiO2鍍層氧化機制

圖9 TiO2紫外吸收光譜

當可見光中的光子波長低于390 nm時候，價帶的電子就會激發到導帶上，產生光生電子e-和光生空穴h+，形成的空穴h+和原子氧和氫氧自由基等強氧化劑和強活性離子，他們很容易透過下面的氧化層將銀層氧化，進而與Ag發生氧化反應生成氧化銀導致發黑問題進而影響光的發射，同時Al2O3表面羥基的沒有SiO2表面羥基豐富，因此更穩定，因此TiO2和Al2O3復合鍍層抗氧護能力優于TiO2和SiO2復合鍍層。Nb2O5是一種重要的N型寬禁帶半導體材料，室溫下禁帶寬度3.4 eV，可將光及近紅外都是透明的，但是Nb2O5致密性極好，是一種堆積密度近乎為1的高反射、高穩定性的保護薄膜，在短波長下比TiO2穩定，更能阻隔可見光及空氣小分子的侵襲，防氧化能力更強。

3.2 防硫化測試分析

LED鏡面鋁基板硫化現象，指的是由于環境中的硫(S)元素在一定溫度與濕度條件下，其中-2價的硫會通過鏡面表面鍍層的微小縫隙逐步滲透進入鍍層內部與+1價的銀發生化學反應生成黑色Ag2S的過程。銀對硫有很強的親和力，加熱時可以與硫直接化合成黑色的物質Ag2S。硫化后LED器件會出現光效降低、顏色飄移，甚至出現芯片與基板表面脫離進而引發死燈。

可見，鏡面鋁的防氧化鍍層結構的設計對于LED器件的可靠性十分重要。本文實驗首先將三種鋁材壓合成LED鏡面鋁基板，基板19 mm×19 mm大小，鏡面表面覆蓋一層甲級低折硅膠做保護，實驗前首先對三種基板進行150 ℃、2 h除濕處理，然后放置在一個玻璃容器中，實驗前需要對玻璃容器進行內外部以及蓋子用酒精進行清洗確保無膠體及其他污染殘留。清洗完成后將玻璃容器蓋上蓋子放置在150 ℃烤箱除濕30 min，容器除濕結束后，去除冷卻至室溫，稱取2 g硫粉(化學純)，實驗前確認硫粉無結塊、變色雜質等異常，將其均勻的分散在玻璃容器的底部，將已經處理處理的三種鋁材的切片放置在玻璃容器的底部，蓋上蓋子，并用高溫膠帶將蓋子四周密封，最后放置于150 ℃的烤箱，溫度儀表顯示150 ℃后，關閉烤箱門，持續烘烤4 h，時間到后取出樣片，100倍顯微鏡下觀察測試分析[11]。

表1 三種表面處理防硫化測試

在硫化測試上，采用Nb2O5和Al2O3的復合鍍層處理后，防硫化能力顯著提高，表面未出現黑色物質硫化銀，而采用TiO2和SiO2處理的復合鍍層硫化最嚴重，TiO2和Al2O3出現輕微硫化問題。

采用Hitachi 3400N及Horiba 7021-H設備對黑色物質進行SEM及EDX元素分析，確認S元素的存在，黑色物質為硫化銀，這說明底層的金屬銀與S元素反應后會向上遷移至鍍層表面如圖10、圖11所示。

圖10 黑色結晶物質

圖11 黑色結晶物質EDX元素分析

3.3 粘接力測試分析

對三種鋁材進行鍍層粘接力測試，選用刀口寬度約為10～12 mm的百格刀橫向與縱向劃10×10(100個)的正方形小格子，以1 mm為間隔，每一條劃線深及純鋁基材。用3M610膠帶先與鏡面貼合，在垂直方向(90°)迅速將膠帶拉開，用顯微鏡觀察三種鋁材的鏡面鍍層的變化[12-14]。

表2 三種表面處理粘接力測試

在粘接力測試上，只有采用Nb2O5和Al2O3處理符合鍍層未出現鍍層脫落現象，其余兩組都出現了不同程度的鍍層脫落問題，表明Nb2O5和Al2O3防氧化層下面的粘接層起到了增加鍍層間粘接力的效果。

4 結論

LED散熱用鏡面鋁基板鏡面表面鍍層采用Nb2O5和Al2O3的復合鍍層處理后，在LED燈光照射下180 ℃高溫下持續2 000 h的全反射測試、450 nm反射率測試、550 nm反射率測試，防硫化能力以及鍍層的粘接力三個方面的性能都明顯優于目前采用的TiO2和Al2O3以及TiO2和SiO2的復合鍍層表面處理方式，可以為高可靠性、高反射涂層以及大功率LED封裝器件鏡面鋁基板的性能改進等提供參考。