呂亞南,李巧梅,牟其伍*,文翰穎,朱 玲,壽夢杰

(1.重慶大學(xué)物理學(xué)院,重慶 400044; 2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400044)

BN&Al2O3/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料粘接層對LED燈結(jié)溫的影響

呂亞南1,李巧梅1,牟其伍1*,文翰穎2,朱 玲2,壽夢杰2

(1.重慶大學(xué)物理學(xué)院,重慶 400044; 2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400044)

自制BN/EP(環(huán)氧樹脂)復(fù)合材料和Al2O3/EP復(fù)合材料作為LED燈PCB板和散熱鋁塊之間的粘接層材料,采用精密鉆孔的方法用高精度測溫儀測量LED燈正常工作時(shí)的溫度分布,討論粘接層對結(jié)溫的影響,并與COMSOLMultiphysics軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。實(shí)驗(yàn)測量LED結(jié)溫與模擬結(jié)溫變化趨勢基本一致,結(jié)溫會隨著粘接層厚度的增加而上升、隨著粘接層復(fù)合材料熱導(dǎo)率的增加先快速降低而后趨于平緩。最終得到PCB板和散熱鋁塊間最佳粘接層厚度和粘接層復(fù)合材料配比,當(dāng)BN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí),BN/EP復(fù)合材料粘接層的熱導(dǎo)率最高,此時(shí)LED結(jié)溫為75.2℃,比純環(huán)氧樹脂粘接層LED的結(jié)溫降低了27.6℃。而Al2O3/EP復(fù)合材料粘接層LED的最低結(jié)溫為78.2℃,此時(shí)Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%。

粘接層;結(jié)溫;熱導(dǎo)率;環(huán)氧樹脂復(fù)合材料;溫度分布

1 引 言

近年來,發(fā)光二極管(Light-emitting diode, LED)的應(yīng)用已從單純的信號指示向通用照明領(lǐng)域迅速普及[1-3]。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,大功率LED的散熱成為一個(gè)突出的問題[4],尤其是結(jié)溫(芯片溫度)的高低以及散熱已成為制約LED發(fā)展的關(guān)鍵因素[5-7]。因此,測量LED結(jié)溫及溫度分布和如何降低結(jié)溫對LED的廣泛應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。

亮度衰減70%時(shí),LED的結(jié)溫每升高10℃,其壽命下降約50%[8]。在LED使用過程中,約70%的故障來自于結(jié)溫過高[8-9]。因此,快速準(zhǔn)確地測量LED正常工作時(shí)的結(jié)溫和溫度分布[10-11]可以幫助準(zhǔn)確分析封裝結(jié)構(gòu)中各部分材料的散熱性能及其分別對結(jié)溫的影響,以便于更準(zhǔn)確地選擇和制備散熱性能良好的封裝材料[12],為設(shè)計(jì)和制作具有良好散熱性能的大功率LED提供科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 粘接層材料制備

本文用雙酚A環(huán)氧樹脂作為基體來制備粘接層材料,它具有優(yōu)良的力學(xué)特性[13]和電絕緣性[14]等,但卻是熱的不良導(dǎo)體[15],因此本實(shí)驗(yàn)選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的氮化硼[16]、氧化鋁[17]微粉作為填充劑來制備粘接層復(fù)合材料。首先對粉末進(jìn)行表面處理:將粉末置于200℃烘箱內(nèi)干燥2 h,然后按照乙醇/去離子水的體積比為9∶1的比例配制醇水溶液,將干燥過的粉末加入配制好的醇水溶液中,再加入偶聯(lián)劑KH-550,偶聯(lián)劑與粉末的質(zhì)量比為1∶50,并加入冰乙酸(分析純AR)調(diào)節(jié)溶液pH值至5來控制反應(yīng)速率。然后,將溶液密封在30℃下攪拌3 h,靜置待粉末完全沉底取出粉末,用乙醇溶液清洗3～5次烘干備用。將固化劑與環(huán)氧樹脂以1∶1的比例混合并加入處理好的粉末,再分別加入環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%與5%的消泡劑和增塑劑均勻攪拌,然后真空脫泡固化成型,即制得BN/EP復(fù)合材料和Al2O3/EP復(fù)合材料,制備流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料制備流程圖Fig.1 Flow chart of preparing epoxy resin composites

2.2 粘接層材料熱導(dǎo)率測量

本文采用穩(wěn)態(tài)法通過多功能導(dǎo)熱系數(shù)測試儀[18]測量復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,如圖2所示。樣品制成平板狀,其下表面與一穩(wěn)定的均勻加熱銅盤A充分接觸,上表面與一均勻散熱銅盤C相接觸。由于樣品側(cè)面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面積,故可認(rèn)為樣品在同一平面內(nèi)各處溫度相同,只有在垂直樣品的方向上才有溫度梯度。設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí),樣品上下表面溫度分別為θ1和θ2,根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)方程可知,在Δt時(shí)間內(nèi)通過樣品的熱量ΔQ滿足:

式中k為樣品熱導(dǎo)率,hB為樣品厚度,S為樣品的平面面積。實(shí)驗(yàn)中樣品呈圓盤狀,設(shè)樣品直徑為d,則式(1)可表示為:

當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定時(shí),樣品上下表面溫度θ1和θ2不會再變化,此時(shí)可認(rèn)為加熱盤A通過樣品傳導(dǎo)的熱量與散熱盤C向周圍散出的熱量相等。據(jù)此計(jì)算出穩(wěn)定時(shí)散熱盤C的散熱速率,代入式(2)即可求出樣品熱導(dǎo)率。

圖2 多功能導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測量復(fù)合材料熱導(dǎo)率示意圖Fig.2 Schematic ofmeasuring the thermal conductivity of composites bymulti function thermal conductivity tester

2.3 模型設(shè)計(jì)與制作

建立如圖3所示的LED燈模型。模型包括透鏡、密封劑、熒光粉、芯片、芯片襯底、內(nèi)部熱沉、絕緣層、導(dǎo)線、陶瓷封裝、電路板、粘接層和外部熱沉。將PCB電路板粘接到一個(gè)散熱鋁塊(外部熱沉)上擴(kuò)大LED的散熱面積,加快LED燈的散熱速率。

圖3 LED模型示意圖Fig.3 Model of LED

2.3.1 COMSOL仿真模擬

在整個(gè)模擬過程中,環(huán)境溫度為25℃保持不變,且以環(huán)境溫度作為模擬的初始溫度。假設(shè)LED芯片為一均勻熱源,運(yùn)用COMSOL熱傳導(dǎo)理論進(jìn)行模擬。模擬過程中自制粘接層復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)和厚度連續(xù)變化,程序運(yùn)算得到不同粘接層材料LED的結(jié)溫和溫度分布。模擬過程中LED封裝結(jié)構(gòu)中各部分材料的主要參數(shù)如表1所示。

表1 LED模型中各部分材料的幾何性能和熱性能Table 1 Geometric dimensions and material properties of LED components

2.3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?/p>

圖4為LED模型制備及測溫流程圖:(1)把一個(gè)1 W大功率白光LED燈珠用導(dǎo)熱系數(shù)為1.224W/(m·K)的導(dǎo)熱硅膠(HC910)粘接到尺寸大小為20 mm×20 mm的PCB電路板上。(2) PCB電路板通過粘接層(環(huán)氧樹脂復(fù)合材料)固定在大小為20 mm×20 mm×11 mm的散熱鋁塊(外部熱沉)上。(3)將導(dǎo)線連到引線架上焊接至電路板。(4)鉆孔:從LED外部熱沉底部中央鉆一個(gè)小孔到芯片,小孔的直徑為0.1～0.3 mm左右,保證測溫探頭恰好可以插入小孔內(nèi)。小孔上端十分靠近LED芯片(距芯片約10～20μm)。通過小孔,將測溫探頭分別插到模型的不同位置,用數(shù)字溫度計(jì)(VICTOR DM6801A)記錄溫度。

圖4 LED模型制備及測溫流程圖Fig.4 Flow chart of the preparation of LED model and the measurement of temperature

3 結(jié)果與討論

3.1 粘接層對結(jié)溫的影響

本文中所研究的粘接層的作用主要是將PCB電路板固定在外部熱沉上,并保證良好的熱傳導(dǎo)。設(shè)粘接層的橫截面積為S,熱導(dǎo)率為k,厚度為h,則粘接層熱阻可以表示為:

從式(3)可以看出粘接層橫截面積一定時(shí),粘接層的厚度和粘接材料的熱導(dǎo)率對粘接層熱阻的大小起著決定性的作用。因此選擇合適的粘接層厚度和粘接材料可以提高LED的散熱性能進(jìn)而降低結(jié)溫。

3.1.1 粘接層厚度

將制得的復(fù)合材料用作LED燈PCB板和散熱鋁塊之間的粘接層,得到粘接層復(fù)合材料厚度與結(jié)溫的關(guān)系,如圖5所示。本文測量了粘接層厚度從0.1 mm到0.5 mm的BN/EP復(fù)合材料和Al2O3/EP復(fù)合材料的LED燈的結(jié)溫。從圖中可以看出功率為1,2,3 W的LED燈的結(jié)溫均隨著粘接層厚度的增加而不同程度地上升,粘接層越薄則結(jié)溫越低。然而粘接層還必須具有較好的粘接性能,在不影響散熱的基礎(chǔ)上還要保證粘接材料不脫落[19]。因此,綜合考慮粘接層厚度與粘接強(qiáng)度和結(jié)溫的關(guān)系,本文選取0.1 mm為綜合性能最佳的粘接層厚度,此時(shí)60%BN/EP復(fù)合材料粘接層的1,2,3 W LED燈的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)溫分別為75.2,118.4,154.0℃,模擬結(jié)溫分別為74.5,117.2,151.4℃;50%Al2O3/EP復(fù)合材料粘接層的1,2,3 W LED燈的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)溫分別為77.2,121.2,157.0℃,模擬結(jié)溫分別為76.7, 120.3,154.4℃。

圖5 粘接層厚度與結(jié)溫的關(guān)系。(a)BN/EP復(fù)合材料; (b)Al2O3/EP復(fù)合材料。Fig.5 Relationship between thickness of adhesive materials and junction temperatures.(a)BN/EP composites. (b)Al2O3/EP composites.

3.1.2 粘接層復(fù)合材料熱導(dǎo)率

粘接層復(fù)合材料熱導(dǎo)率與導(dǎo)熱微粉添加量之間的關(guān)系如圖6所示,隨著BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,熱導(dǎo)率先緩慢增加,在20%之后快速增加。當(dāng)BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí),BN/EP復(fù)合材料熱導(dǎo)率達(dá)到最大值1.577 W/(m·K),是純環(huán)氧樹脂的7.9倍。這是由于在填料含量較少時(shí),導(dǎo)熱微粒孤立地分散在環(huán)氧樹脂中,彼此之間沒有相互接觸,對熱導(dǎo)率的提高貢獻(xiàn)不大。隨著填料含量的增加,導(dǎo)熱微粒開始相互接觸,在復(fù)合材料中形成網(wǎng)狀導(dǎo)熱通道,熱量可以隨著這些熱阻較小的通道快速地傳輸出去,熱導(dǎo)率隨之快速增加。BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過60%后,熱導(dǎo)率開始下降。這是由于BN微粉含量過多,不能良好地分散在環(huán)氧樹脂中,顆粒堆積發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,熱量聚集不能很好地傳輸出去導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降。Al2O3含量較低時(shí),Al2O3/EP復(fù)合材料與BN/EP復(fù)合材料熱導(dǎo)率相差不大,隨著填料含量增加,熱導(dǎo)率也迅速隨之增加。當(dāng)加入的Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí), Al2O3/EP復(fù)合材料熱導(dǎo)率達(dá)到最大值0.892 W/ (m·K),是純環(huán)氧的4.5倍。超過這一含量,熱導(dǎo)率開始下降。由于Al2O3微粉的熱導(dǎo)率低于BN微粉等因素,因此與BN相比,在同等填料含量下, Al2O3填充環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能稍差。

圖6 復(fù)合材料熱導(dǎo)率與導(dǎo)熱微粉添加量的關(guān)系Fig.6 Relationship between thermal conductivity of composites and the content of powder

此外,對導(dǎo)熱微粉進(jìn)行表面處理可增加微粒表面活性[20],使其能更好地分散在環(huán)氧樹脂中。如圖7所示,(a)、(b)和(c)、(d)分別為60%和50%未經(jīng)過表面處理和經(jīng)過表面處理的BN/EP復(fù)合材料和Al2O3/EP復(fù)合材料的SEM(TESCAN MIRA 3)圖片。從圖中可以看出,經(jīng)過表面處理的粉末分散性更好。且圖7(a)中未經(jīng)表面處理的BN/EP復(fù)合材料中存在很多空洞和裂縫,而圖7(b)表面處理過的BN空洞和裂縫較少,BN顆粒彼此之間緊密接觸,有效地促進(jìn)了聲子在復(fù)合材料中的傳播,有利于提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率[21]。

圖7 60%BN/EP復(fù)合材料未經(jīng)表面處理(a)和經(jīng)過表面處理(b)的SEM圖,以及50%Al2O3/EP復(fù)合材料未經(jīng)表面處理(c)和經(jīng)過表面處理(d)的SEM圖。Fig.7 SEM images of 60%BN/EP composites untreated (a)and treated(b),and SEM images of 50% Al2O3/EP composites untreated(c)and treated (d),respectively.

圖8 粘接層材料熱導(dǎo)率對結(jié)溫的影響Fig.8 Effectof thermal conductivity of adhesivematerials on junction temperature

將以上制得的不同熱導(dǎo)率的復(fù)合材料用作LED燈PCB板與散熱鋁塊之間的粘接層,保持其他條件不變,得到結(jié)溫與粘接層材料熱導(dǎo)率的關(guān)系,如圖8所示。從圖中可以看出,1 W的LED燈結(jié)溫隨著粘接材料熱導(dǎo)率的增大先快速降低而后趨于平緩。這是由于粘接層熱阻與熱導(dǎo)率成反比關(guān)系,熱導(dǎo)率升高,粘接層熱阻快速降低,LED芯片聚集的熱量迅速散發(fā)出去,結(jié)溫快速降低,當(dāng)熱導(dǎo)率繼續(xù)增加,粘接層熱阻變化不大,LED芯片結(jié)溫隨之趨于平緩。2 W和3 W LED燈的結(jié)溫也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢,但結(jié)溫下降速度明顯比1 W LED燈快。粘接層復(fù)合材料的熱導(dǎo)率越大,LED的結(jié)溫越低。BN/EP復(fù)合材料粘接層和Al2O3/EP復(fù)合材料粘接層在LED燈功率為1W時(shí),實(shí)驗(yàn)測量結(jié)溫與模擬結(jié)溫比較吻合;2W和3 W時(shí)的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)溫普遍高于模擬結(jié)溫,且3 W時(shí)的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)溫與模擬結(jié)溫偏差較大。

3.2 LED溫度分布

圖9 1W LED溫度場分布。(a)60%BN/EP復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)測量;(b)60%BN/EP復(fù)合材料COMSOL模擬;(c)50% Al2O3/EP復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)測量;(d)50%Al2O3/EP復(fù)合材料COMSOL模擬。Fig.9 Temperature distribution of1W LED.(a)Experimentalmeasurement for 60%BN/EP composites.(b)COMSOL simulation for 60%BN/EP composites.(c)Experimentalmeasurement for 50%Al2O3/EP composites.(d)COMSOL simulation for 50%Al2O3/EP composites.

圖10 60%BN/EP復(fù)合材料粘接層2W LED溫度分布的實(shí)驗(yàn)測量(a)和COMSOL模擬(b);60%BN/EP復(fù)合材料粘接層3 W LED溫度場分布的實(shí)驗(yàn)測量(c)和COMSOL模擬(d);純環(huán)氧樹脂粘接層1 W LED溫度分布的實(shí)驗(yàn)測量(e)和COMSOL模擬(f)。Fig.10 Experimentalmeasurement(a)and COMSOL simulation(b)of the temperature distribution of 2 W LED with 60% BN/EP composites adhesive layer,experimentalmeasurement(c)and COMSOL simulation(d)of the temperature distribution of 3W LED with 60%BN/EP composites adhesive layer,and experimentalmeasurement(e)and COMSOL simulation(f)of the temperature distribution of1W LED with epoxy resin adhesive layer,respectively.

當(dāng)厚度為0.1 mm的60%BN/EP復(fù)合材料作為粘接層材料時(shí),1 W LED燈的實(shí)驗(yàn)測量溫度分布和COMSOL模擬溫度分布如圖9(a)和(b)所示。從圖中可以看出,芯片產(chǎn)生的熱量通過內(nèi)部熱沉、PCB電路板和外部熱沉傳遞到外面,芯片溫度最高,為75.2℃;而溫度最低點(diǎn)出現(xiàn)在外部熱沉邊緣,為57.6℃。另外,實(shí)際測量結(jié)溫為75.2℃,而COMSOL模擬結(jié)溫為74.56℃,實(shí)驗(yàn)測量得到的結(jié)溫比模擬結(jié)溫略高,但測量得到的溫度分布趨勢與模擬溫度分布趨勢基本吻合。當(dāng)50%Al2O3/EP復(fù)合材料為粘接材料時(shí),1 W LED燈的實(shí)驗(yàn)測量溫度分布與COMSOL模擬溫度分布如圖9(c)和(d)所示,其溫度分布趨勢與BN/ EP復(fù)合材料粘接層相似,但結(jié)溫略高,其實(shí)驗(yàn)測量結(jié)溫和模擬結(jié)溫分別為78.2℃和77.14℃。

此外,我們還測量了BN/EP復(fù)合材料粘接層2 W、3 W LED燈和純環(huán)氧樹脂粘接層1 W LED燈的溫度分布,如圖10所示。它們的溫度分布均與1 W BN/EP復(fù)合材料粘接層LED類似,最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在中央芯片上,而最低溫度點(diǎn)在外部熱沉上,芯片產(chǎn)生的熱量向下傳遞,通過外部熱沉散出。且實(shí)驗(yàn)測量值與COMSOL模擬值相差不大。純環(huán)氧樹脂作為粘接層時(shí)其實(shí)驗(yàn)測量LED燈的結(jié)溫為102.8℃,高于Al2O3/EP復(fù)合材料粘接層,更高于BN/EP復(fù)合材料粘接層。再次證明了LED燈的結(jié)溫與粘接層復(fù)合材料熱導(dǎo)率有關(guān),粘接層復(fù)合材料熱導(dǎo)率越大,LED結(jié)溫越低。

4 結(jié) 論

隨著PCB板與散熱鋁塊間粘接層厚度的增加,LED燈的結(jié)溫一直升高,但是粘接層過薄會導(dǎo)致粘接強(qiáng)度降低,容易出現(xiàn)裂紋影響LED燈的壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最佳粘接層厚度為0.1 mm,此時(shí)功率為1W的BN/EP復(fù)合材料粘接層LED燈的結(jié)溫為76.6℃,功率為1 W的Al2O3/EP復(fù)合材料粘接層LED燈結(jié)溫為78.2℃。BN和Al2O3導(dǎo)熱微粒的加入大大提高了粘接層復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,當(dāng)加入的BN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí), BN/EP復(fù)合材料粘接層的熱導(dǎo)率達(dá)到最高值1.577W/(m·K),是純環(huán)氧樹脂的7.9倍,此時(shí)LED燈的結(jié)溫比純環(huán)氧樹脂粘接層降低了27.6℃;當(dāng)加入Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí), Al2O3/EP復(fù)合材料粘接層熱導(dǎo)率最高達(dá)到0.892 W/(m·K),是純環(huán)氧樹脂的4.5倍,此時(shí)LED燈的結(jié)溫比純環(huán)氧樹脂粘接層降低了24.6℃。

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Effects of BN&Al2O3/Epoxy Com posites Adhesive Layer on Junction Tem perature of LED

LYU Ya-nan1,LIQiao-mei1,MU Qi-wu1*,WEN Han-ying2,ZHU Ling2,SHOU Meng-jie1

(1.Department of Physics,Chongqing University,Chongqing 400044,China; 2.College ofMaterials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)
*Corresponding Author,E-mail:qwmcqu@163.com

Homemade BN/EP composites and Al2O3/EP compositeswere used as the adhesive layer between PCB and the heat sink of LED,respectively.The temperature distribution of LED working in the normal condition was measured by high-precision thermometers through a small hole.The effect of the adhesive layer composites on the junction temperature of LED was discussed,and was compared with the results from COMSOL simulations.A similar variation trend of junction temperature of LED was observed in both our experimentand COMSOL simulation.The junction temperature of LED raised with the increment of thickness of the adhesive layer.Besides,along with the increment of thermal conductivity of the adhesive layer composites,the junction temperature declined sharply at first,and then gradually decreased to a flat level.At last,we obtained two optimum values of the thickness and the ratio of adhesive layer compositeswith the best performance.When the mass fraction of BN is 60%,the thermal conductivity of BN/EP composites reaches at the highest level.In this condition,the junction temperature of LED is the lowest(75.2℃)and is 27.6℃lower than that of using pure epoxy resin.In addition,the minimum junction temperature of the Al2O3/EP composites is 78.2℃when themass fraction of Al2O3is 50%.

adhesive layer;junction temperature;thermal conductivity;epoxy composites;temperature distribution

呂亞南(1990-),女,河南平頂山人,碩士研究生,2014年于信陽師范學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事大功率LED散熱及封裝材料的研究。E-mail:1518503285@qq.com

牟其伍(1955-),男,重慶萬州人,教授,1982年于四川大學(xué)獲得碩士學(xué)位,主要從事電子電器和大功率LED的封裝及相關(guān)材料的研究。E-mail:qwmcqu@163.com

TN312.8

A

10.3788/fgxb20153612.1469

1000-7032(2015)12-1469-08

2015-08-30;

2015-09-23

重慶市國際科技合作項(xiàng)目(cstc2012gg-gjhz50001);重慶大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2014Y31);國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201510611027)資助