杜元寶，張耀華，柯 強 ，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

對LED器件而言，LED芯片散熱主要與器件的封裝結構和工藝有關；對LED燈具而言，燈具的散熱主要與LED器件和燈具散熱結構設計及導熱硅脂有關[1-14]。LED芯片所產(chǎn)生的熱量，最后主要通過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)過很多層的散熱通道，具體來說，熱量從LED芯片內部出來后，先經(jīng)過固晶膠到鋁基板的PCB，再通過導熱硅脂才到燈具散熱器，最后由散熱器導入空氣中。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 ℃，當內部芯片的PN結溫度過高時，就會失效。因此，如何將LED器件產(chǎn)生的熱量及時傳導到燈具的散熱器，及時降低LED器件內部芯片的結溫十分重要。

目前主要是采用導熱硅脂將LED器件與燈具的散熱器進行連接，導熱硅脂的導熱系數(shù)為1～8 W·m-1·K-1，導熱能力十分有限。如果靠壓片來固定導熱硅脂，有時還會出現(xiàn)壓不牢的風險。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，用來解決LED器件的熱傳導問題。目前采用的熱傳導材料主要是導熱硅脂，其內部填充金屬顆粒，由于有樹脂溶劑，金屬顆填充粒密度有限，限制了導熱能力和耐高溫性能。本文嘗試用錫膏取代導熱硅脂或導熱墊片，主要研究這種金屬化焊接方式的導熱性能及其對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 藍光LED芯片，波長為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，電路結構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法進行鍍鎳處理，鏡面鋁基板底部是1070純鋁。由于純鋁無法和錫膏進行焊接，因此需要在基板底部進行鍍鎳處理，鎳層厚度控制在200 nm左右；實驗方案有兩種，如圖1所示，一種是先將底部經(jīng)過處理的LED器件通過導熱硅脂(2 W)與散熱器相連并用M4螺絲固定；另一種是通過高溫錫膏過回流焊的方式進行金屬化的焊接將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行初始光電參數(shù)測試，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，將測試溫度探頭與LED器件TS點相連，在環(huán)境溫度為25 ℃條件下，持續(xù)點亮1 min、3 min、5 min、11 min直到1 h，記錄TS點溫度的變化，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時兩種方案的光通量及色坐標的數(shù)據(jù)。

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

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

2 實驗結果分析

2.1 兩種工藝負極焊盤Ts點溫升分析

實驗對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，分別測試兩種工藝產(chǎn)品點亮后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，但升溫速率開始拉開距離，TS點溫度繼續(xù)平穩(wěn)增加，1 h后趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后，錫膏焊接的TS點溫度低于導熱硅脂的TS點溫度，且隨著功率的增加兩種工藝的TS穩(wěn)態(tài)時的溫差也隨之加大，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點溫差的關系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)境溫度條件下進行老化測試，功率為25 W，老化時間3 000 h。兩種工藝產(chǎn)品的光通量衰減情況和色坐標衰減情況如圖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 兩種工藝的機理分析

為了有效傳導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重要。研究表明，兩個接觸面積的實際接觸面積僅為名義接觸面積的0.01%～0.1%，即便施加一個10 MPa的垂直接觸壓力，實際接觸面積也只能提高至名義接觸面積的1%～2%。這主要是因為兩種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熱硅脂，以降低界面熱阻，如圖5(a)所示。導熱硅脂的導熱系數(shù)介于1～8 W·m-1·K-1之間，其導熱能力十分有限，這成為制約大功率LED器件應用的主要技術瓶頸。金屬化焊接界面層是金屬，錫膏的導熱系數(shù)高達60 W·m-1·K-1以上，導熱十分迅速，理論上如果散熱器足夠大，可以在很短時間之內導走熱量，如圖5(b)所示。因此，這兩種工藝接觸處熱量的實際傳導速率不同，在相同的散熱器下，最終TS點的溫升差會隨著LED光源功率的增加而增大。

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

3 結論

本文嘗試使用錫膏取代導熱硅脂或導熱墊片并對這種金屬化焊接工藝進行了研究。實驗中將LED器件與燈具散熱器通過錫膏進行連接，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。實驗發(fā)現(xiàn)，相比于用導熱硅脂的連接，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。