论文部分内容阅读
LED以其体积小,全固态,长寿命,环保,省电等一系列优点,已经在汽车照明、装饰照明、手机闪光灯、大中尺寸（NB、LCD-TV等）显示屏光源模块得到广泛应用,成为21世纪最具发展前景的高技术领域之一。美国、欧盟、日本等众多国家纷纷出台计划,投入巨资加速其发展,以占领能源战略制高点。现有LED的电光转换效率约为20%～30%,而70%～80%的能量转化为无法借助辐射释放的热能。如果封装散热不良,会使芯片温度升高,引起应力分布不均、芯片发光效率降低、荧光粉转换效率下降。当温度超过一定值,器件的失效率将呈指数规律攀升。因此,大功率LED封装的散热难题是当前产业化的瓶颈技术之一,大功率白光LED封装的散热性能更是国内外的研究热点。本文针对目前国内外封装存在的问题,首先提出了一种新的大功率LED封装结构,然后对该结构及其材料进行了理论、实验分析和工艺研究,再对采用该结构的5W单芯片白光LED封装和5W多芯片白光LED阵列封装进行了仿真优化设计,最后设计并制备了热阻为8.05K/W的5W单芯片白光LED封装。论文取得的成果及创新点主要有:（1）针对目前大功率LED封装结构普遍存在散热性能不良,制备工艺复杂,成本高等缺点,通过理论分析和实验研究,我们提出了一种高功率LED兼容集成封装模块和一种自散热式发光二极管日光灯,并已申请相关专利两项。通过将绝缘层和电极层以薄膜形式直接制备在铝基板上,减少了大功率LED封装的内部热沉数量、减薄内部热沉厚度。不仅提高了大功率LED封装的散热性能,而且制备工艺简单、成本低、无污染,符合RollS标准,为解决大功率LED封装的散热难题提供了一种新的结构。（2）通过理论分析和比较组成散热基板、绝缘层和电极层的各种材料性能,设计并选用铝作为基板材料、氧化铝作为绝缘层材料、过渡层（Ti）/阻挡层（Ni-Cu）/电极层（Ag）的梯度膜系和ITO薄膜两种作为电极层的结构。（3）采用ANSYS软件对5W单芯片白光LED封装和5W多芯片白光LED阵列封装进行三维热力学仿真优化设计,研究发现5W单芯片白光LED封装的热阻为5.8K/W,当环境温度为50℃时,芯片最高的结温为73.197℃,可以满足大功率LED封装的散热要求;5W多芯片白光LED阵列封装的热阻为3.986K/W,当环境温度为50℃时,芯片最高的结温为65.994℃,可以满足大功率LED封装的散热要求;优化结构参数后采用厚度为1.1 mm的铝基板,空气对流系数为10W/（m2·K）时,5W多芯片白光LED阵列封装的热阻为2.563 K/W。该封装结构无论是应用于单芯片还是多芯片阵列封装,都可以满足LED的散热要求。（4）采用硬质硫酸阳极氧化法制备了厚度为30.2um,介电强度为32.5V/um氧化铝绝缘层,通过理论研究和测试分析了绝缘层镀膜后短路的机理并指出了改进方法。（5）研究了电极层的材料和制备工艺,采用直流磁控溅射法制备出Ti（150nm）/Ni-Cu（400nm）/Ag（200nm）组成的梯度膜系作为电极层,其电阻率为3×10-6Ω·cm,平均抗拉强度为4.22MPa,膜层表面缺陷较少,致密性好,焊接性能好,满足电极层的需求。（6）提出了在氧化铝绝缘层上采用射频磁控直流溅射法制备ITO薄膜作为电极层的过程中引入紫外在线辐照来降低ITO薄膜电阻率的新工艺,并申请了相关专利一项。实验表明在紫外辐照条件下制备的样品的电阻率、表面形貌和生长取向明显优于未经紫外辐照的样品,在线紫外辐照下最低方阻为5Ω/□,电阻率为2.5×10-4Ω·cm,平均抗拉强度为5.3MPa,表面缺陷少,致密度好,趋于[222]的择优取向,焊接性能好,基本满足电极层的需求。（7）在上述研究的基础上,我们初步制备出了散热性能良好的5W白光LED单芯片封装,初测其封装热阻为8.05K/W,与第四章中的5W白光LED单芯片封装的热阻仿真结果5.8K/W比较吻合。当环境温度为50℃时,芯片最高的结温为82.2℃,可以满足大功率LED封装的散热要求。