大功率LED多芯片基板上直接封装的热设计

论文摘要

LED照明由于具有效率高、能耗低、寿命长、环保等诸多潜在的优点而被视为第四代照明光源。随着对LED功率的不断提高,传统的LED封装结构和热界面材料不能很好地解决越来越严重的散热问题。利用数值模拟的方法研究了散热结构中各因素对散热性能的影响,其中包括基板厚度、芯片数量和排列位置及散热方式等;利用DOE实验设计的方法设计了热电分离式大功率LED路灯,并对散热结构进行了数学优化;采用金属热强度和LED结温作为综合优化目标对阵列组件式大功率LED路灯的散热器进行了优化计算,得到了一系列的优化结构参数;设计了两种LED模组,每个模组在传热上可以近似认为是独立的单元,而不受模组个数、周围环境的影响。根据测量的LED封装结构的热扩散系数计算了Cu/SAC钎料的界面接触热阻;利用Surface Evolver软件预测了不同钎料量下的焊点形态,根据焊点形态结果计算了LED的键合热阻;采用SAC钎料作为LED芯片键合的热界面材料要明显优于导热胶和高导热银胶。采用SAC钎料作为DCB基板与Cu散热器键合(简称DC键合)和LED芯片与DCB基板键合(简称LD键合)的热界面材料,DC键合试样的DCB基板/钎料界面生成了(Ni,Cu,Au)3Sn4, Cu/钎料界面生成了Cu6Sn5; LD键合试样的LED芯片/钎料界面和DCB基板/钎料界面均生成了(Cu,Ni,Au)6Sn5;DC键合试样在老化过程中, DCB基板/钎料界面的(Ni,Cu,Au)3Sn4向(Cu,Ni,Au)6Sn5转化,在(Cu,Ni,Au)6Sn5层与Ni层间生成一层连续的Ni3Sn4化合物; Cu/钎料界面处还生成了一层连续Cu3Sn化合物;DCB基板侧(Cu,Ni,Au)6Sn5化合物在老化过程中的生长是受Cu扩散控制的,DCB基板侧IMC的厚度要小于另一侧IMC的厚度,并且当另一侧IMC增加到一定厚度后,DCB基板侧的IMC厚度的增加变的更为缓慢。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 大功率LED的热问题
• 1.2.2 芯片结构与散热基板
• 1.2.3 散热方式
• 1.2.4 热界面材料TIMs
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 实验材料与实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 LED芯片
• 2.1.2 DCB双面陶瓷覆铜板基板
• 2.1.3 SAC钎料
• 2.1.4 高导热导电银胶
• 2.2 实验设备及方法
• 2.2.1 热风再流焊试验
• 2.2.2 等温老化试验
• 2.2.3 SEM分析
• 2.2.4 热扩散系数测量
• 2.2.5 剪切载荷测试
• 2.3 本章小结
• 第3章 大功率LED的散热方式
• 3.1 常用散热器散热结构
• 3.1.1 LED阵列组件有限元模型的建立
• 3.2 热管散热结构
• 3.3 半导体制冷散热结构
• 3.4 LED结温的红外测量
• 3.4.1 红外热成像设备及结温测量方法
• 3.4.2 LED结温测量结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 大功率LED散热结构优化
• 4.1 LED阵列组件的结构优化
• 4.1.1 DCB基板上表面铜层厚度
• 4.1.2 芯片排列位置对结温的影响
• 4.1.3 芯片数量及功率对结温的影响
• 4.2 大功率LED路灯散热结构的模拟设计
• 4.2.1 热电分离式大功率LED路灯的DOE设计
• 4.2.2 阵列组件式大功率LED路灯的散热器优化计算
• 4.3 LED模组设计
• 4.3.1 热电分离条形模组
• 4.3.2 LED阵列组件方形模组
• 4.4 本章小结
• 第5章 热界面材料TIMs与LED键合热阻
• 5.1 LED封装结构热扩散系数测量
• 5.1.1 测量原理
• 5.1.2 测量结果与分析
• 5.2 LED键合热阻
• 5.2.1 Cu/SAC钎料接触热阻
• 5.2.2 LED键合焊点形态预测
• 5.2.3 LED键合热阻计算
• 5.3 本章小结
• 第6章 键合界面的微观组织及其演变规律
• 6.1 键合界面微观组织
• 6.1.1 DC键合界面微观组织
• 6.1.2 LD键合界面微观组织
• 6.2 键合界面微观组织演变
• 6.2.1 DC键合界面
• 6.2.2 LD键合界面
• 6.3 键合试样剪切载荷变化
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢