大功率LED器件與散熱器的金屬化焊接研究

杜元寶，張耀華，柯 強(qiáng) ，劉永福

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

引言

對(duì)LED器件而言，LED芯片散熱主要與器件的封裝結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)；對(duì)LED燈具而言，燈具的散熱主要與LED器件和燈具散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及導(dǎo)熱硅脂有關(guān)[1-14]。LED芯片所產(chǎn)生的熱量，最后主要通過(guò)燈具的散熱器散到空氣中去。這些熱量要從芯片傳到外部空氣，需要經(jīng)過(guò)很多層的散熱通道，具體來(lái)說(shuō)，熱量從LED芯片內(nèi)部出來(lái)后，先經(jīng)過(guò)固晶膠到鋁基板的PCB，再通過(guò)導(dǎo)熱硅脂才到燈具散熱器，最后由散熱器導(dǎo)入空氣中。LED器件都有一定的正常工作溫度要求，包括環(huán)境溫度和工作溫度，LED器件正常工作的環(huán)境溫度一般要低于80 ℃，當(dāng)內(nèi)部芯片的PN結(jié)溫度過(guò)高時(shí)，就會(huì)失效。因此，如何將LED器件產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳導(dǎo)到燈具的散熱器，及時(shí)降低LED器件內(nèi)部芯片的結(jié)溫十分重要。

目前主要是采用導(dǎo)熱硅脂將LED器件與燈具的散熱器進(jìn)行連接，導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)為1～8 W·m-1·K-1，導(dǎo)熱能力十分有限。如果靠壓片來(lái)固定導(dǎo)熱硅脂，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)壓不牢的風(fēng)險(xiǎn)。本文嘗試將一種LED器件與燈具散熱器的金屬化焊接方式，即一種傳統(tǒng)的釬焊技術(shù)，用來(lái)解決LED器件的熱傳導(dǎo)問(wèn)題。目前采用的熱傳導(dǎo)材料主要是導(dǎo)熱硅脂，其內(nèi)部填充金屬顆粒，由于有樹(shù)脂溶劑，金屬顆填充粒密度有限，限制了導(dǎo)熱能力和耐高溫性能。本文嘗試用錫膏取代導(dǎo)熱硅脂或?qū)釅|片，主要研究這種金屬化焊接方式的導(dǎo)熱性能及其對(duì)LED器件光電參數(shù)的影響。

1 金屬化焊接研究方案

金屬化焊接研究方案如表1所示。首先，制備LED光源器件，采用正裝17 mil×34 mil 藍(lán)光LED芯片，波長(zhǎng)為455～457 nm，芯片電壓為3～3.1 V，功率PO大于190 mW，基板采用30 mm×25 mm鏡面鋁基板，電路結(jié)構(gòu)8并12串，色溫為3 000 K，顯色指數(shù)Ra大于80，光源發(fā)光面直徑為19 mm。然后，將LED器件基板底部采用電化學(xué)法進(jìn)行鍍鎳處理，鏡面鋁基板底部是1070純鋁。由于純鋁無(wú)法和錫膏進(jìn)行焊接，因此需要在基板底部進(jìn)行鍍鎳處理，鎳層厚度控制在200 nm左右；實(shí)驗(yàn)方案有兩種，如圖1所示，一種是先將底部經(jīng)過(guò)處理的LED器件通過(guò)導(dǎo)熱硅脂(2 W)與散熱器相連并用M4螺絲固定；另一種是通過(guò)高溫錫膏過(guò)回流焊的方式進(jìn)行金屬化的焊接將LED器件與散熱器相連，散熱器的大小為15 cm×15 cm×4 cm大小的鋁散熱器。將貼好的LED器件與散熱器一起進(jìn)行初始光電參數(shù)測(cè)試，輸入電流為270 mA、400 mA、540 mA、710 mA，功率分別為10 W、15 W、20 W、25 W。最后，將測(cè)試溫度探頭與LED器件TS點(diǎn)相連，在環(huán)境溫度為25 ℃條件下，持續(xù)點(diǎn)亮1 min、3 min、5 min、11 min直到1 h，記錄TS點(diǎn)溫度的變化，待溫度穩(wěn)定后，繼續(xù)保持25 W功率，持續(xù)老化3 000 h后，記錄25 W時(shí)兩種方案的光通量及色坐標(biāo)的數(shù)據(jù)。

表1 金屬化焊接研究方案Table 1 Research scheme of metallization connection

圖1 金屬化焊接和導(dǎo)熱硅脂方案Fig.1 Metallization welding and thermal conductive silicone grease

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 兩種工藝負(fù)極焊盤(pán)Ts點(diǎn)溫升分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種工藝的光源器件分別輸入270 mA、400 mA、540 mA、710 mA，功率分別為10 W、15 W、20 W、25 W，分別測(cè)試兩種工藝產(chǎn)品點(diǎn)亮后1 h的溫升情況以及穩(wěn)態(tài)后持續(xù)老化3 000 h的參數(shù)衰減情況。

由圖2可以看出，兩種工藝在前5 min，TS點(diǎn)的溫度都是同步持續(xù)升高且數(shù)值基本一致；5 min以后，溫升繼續(xù)同步升高，但升溫速率開(kāi)始拉開(kāi)距離，TS點(diǎn)溫度繼續(xù)平穩(wěn)增加，1 h后趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后，錫膏焊接的TS點(diǎn)溫度低于導(dǎo)熱硅脂的TS點(diǎn)溫度，且隨著功率的增加兩種工藝的TS穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫差也隨之加大，如圖3所示。

圖2 不同功率條件下兩種工藝器件的TS點(diǎn)溫升情況Fig.2 TS point temperature rise of the two process devices with various power

圖3 兩種工藝器件功率和TS點(diǎn)溫差的關(guān)系Fig.3 The relationship between the power of two process devices and TS point temperature difference

可靠性方面，將色溫為3 000 K、Ra大于80的兩種工藝產(chǎn)品在85 ℃環(huán)境溫度條件下進(jìn)行老化測(cè)試，功率為25 W，老化時(shí)間3 000 h。兩種工藝產(chǎn)品的光通量衰減情況和色坐標(biāo)衰減情況如圖4所示。

圖4 兩種工藝產(chǎn)品的光通量衰減情況、色坐標(biāo)衰減情況Fig.4 The flux attenuation and the color coordinate decay of two process devices

2.2 兩種工藝的機(jī)理分析

為了有效傳導(dǎo)LED芯片產(chǎn)生的熱量，除光源自身熱阻要低外，光源及散熱器之間的熱阻至關(guān)重要。研究表明，兩個(gè)接觸面積的實(shí)際接觸面積僅為名義接觸面積的0.01%～0.1%，即便施加一個(gè)10 MPa的垂直接觸壓力，實(shí)際接觸面積也只能提高至名義接觸面積的1%～2%。這主要是因?yàn)閮煞N接觸面之間存在很多凹凸不平的空隙，這些空隙原則上僅為導(dǎo)熱系數(shù)為0.026 W·m-1·K-1的空氣填充，為了將空氣排出，目前主流的做法是填充一種導(dǎo)熱硅脂，以降低界面熱阻，如圖5(a)所示。導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)介于1～8 W·m-1·K-1之間，其導(dǎo)熱能力十分有限，這成為制約大功率LED器件應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。金屬化焊接界面層是金屬，錫膏的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)60 W·m-1·K-1以上，導(dǎo)熱十分迅速，理論上如果散熱器足夠大，可以在很短時(shí)間之內(nèi)導(dǎo)走熱量，如圖5(b)所示。因此，這兩種工藝接觸處熱量的實(shí)際傳導(dǎo)速率不同，在相同的散熱器下，最終TS點(diǎn)的溫升差會(huì)隨著LED光源功率的增加而增大。

圖5 導(dǎo)熱硅脂界面層和錫膏界面層的熱傳導(dǎo)Fig.5 Thermal conductivity of silicon grease interface layer and solder paste interface layer

3 結(jié)論

本文嘗試使用錫膏取代導(dǎo)熱硅脂或?qū)釅|片并對(duì)這種金屬化焊接工藝進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中將LED器件與燈具散熱器通過(guò)錫膏進(jìn)行連接，研究了LED光源器件不同功率下的溫升情況及持續(xù)老化3 000 h的亮度衰減情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于用導(dǎo)熱硅脂的連接，采用錫膏連接后，LED光源器件的TS溫升速度變慢，持續(xù)老化3 000 h光衰變小，這表明金屬化焊接可以有效地提高LED器件的可靠性和穩(wěn)定性。