導(dǎo)電固晶膠在大功率 LED 熱電制冷的應(yīng)用

摘要：發(fā)光二極管（LED）作為新一代綠色固態(tài)照明光源，已廣泛應(yīng)用于照明和顯示等領(lǐng)域，但散熱問題一直是大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。采用大功率LED芯片直接固晶熱電制冷器（TEC）的主動散熱方法，可增強大功率LED的熱耗散，提升大功率LED的發(fā)光性能和長期可靠性。利用高精度陶瓷基板和納米銀膏材料制備出高性能TEC，TEC冷端溫度最低可達-22.2℃。將LED芯片直接固晶于TEC冷端的陶瓷基板焊盤上，實現(xiàn)LED芯片與TEC的集成封裝，制備出LED-TEC主動散熱模塊。在芯片電流為1.0A時，由于熱電制冷的珀爾帖效應(yīng)，LED-TEC模塊可將LED芯片的工作溫度從232℃降低到123℃（降溫幅度為109℃），且可使其輸出光功率從1087mW提升到1479mW，光功率提升幅度達到36.1%。

關(guān)鍵詞：大功率LED 主動散熱 熱電制冷器 芯片固晶 光熱性能

01

引言

發(fā)光二極管（LED）作為新一代的半導(dǎo)體固態(tài)發(fā)光器件，具有發(fā)光效率高、壽命長、節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)尺寸小等優(yōu)勢，已經(jīng)取代了白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明光源，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)照明、室外照明、投影顯示、汽車大燈、特種照明等領(lǐng)域。隨著對照明亮度和光通量要求的不斷提升，LED逐漸朝著高輸入功率密度和多芯片集成方向發(fā)展，以實現(xiàn)高亮度光輸出。但常用的LED芯片存在電光轉(zhuǎn)換損耗（轉(zhuǎn)換效率不足60%），導(dǎo)致部分輸入電功率轉(zhuǎn)換為熱功率，且多芯片集成時LED產(chǎn)生的熱量更多、更聚集，導(dǎo)致LED結(jié)溫迅速升高，嚴(yán)重影響LED器件的發(fā)光性能與長期可靠性。因此，散熱問題成為大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

目前，LED的散熱方式主要分為被動散熱和主動散熱。被動散熱依賴封裝材料和結(jié)構(gòu)自身的熱傳導(dǎo)特性進行散熱，封裝材料包括導(dǎo)熱基板、鍵合材料、熱界面材料、翅片等，封裝結(jié)構(gòu)主要是芯片倒裝結(jié)構(gòu)、芯片垂直結(jié)構(gòu)和芯片正裝結(jié)構(gòu)。被動散熱的效果取決于封裝材料的熱導(dǎo)率、界面質(zhì)量等，被動散熱方式僅適用于小功率LED封裝散熱。針對大功率LED工作時產(chǎn)生的大量熱量和高工作溫度的問題，研究者開始采用主動散熱技術(shù)對大功率LED進行有效熱管理，主動散熱技術(shù)包括風(fēng)扇、微流道、相變、熱管和熱電制冷等。在這些方法中，熱電制冷器（TEC）具有制冷效率高、綠色環(huán)保、無噪音、可靠性高等優(yōu)勢，是理想的主動散熱方式。但現(xiàn)有技術(shù)多采用有機黏合劑連接LED模塊與TEC模塊，低導(dǎo)熱、低耐熱的有機黏合劑會造成整體結(jié)構(gòu)可靠性低和使用壽命短等問題，且不利于實現(xiàn)小型化和集成化的封裝應(yīng)用。由此可見，迫切需要引入高效的主動散熱技術(shù)來降低大功率LED器件的工作溫度，提升其發(fā)光性能和長期可靠性，促進大功率LED照明技術(shù)的發(fā)展。

本文采用一種大功率LED芯片直接固晶熱電制冷器的主動散熱方法，利用TEC的珀爾帖效應(yīng)有效增強了大功率LED的熱耗散能力。采用高精度陶瓷基板和納米銀膏材料制備出高性能TEC，再將LED芯片直接固晶于TEC冷端陶瓷基板焊盤上，實現(xiàn)LED芯片與TEC的集成封裝，從而獲得LED-TEC主動散熱模塊，并測試分析了LED-TEC模塊的散熱效果以及大功率LED的光熱性能。

02

實驗部分

2.1 LED-TEC 模塊制備

LED-TEC模塊的制備工藝流程如圖1（a）所示。首先將自制納米銀膏均勻印刷在冷端和熱端陶瓷基板的金屬線路層上，隨后將P型和N型Bi2Te3熱電粒子（尺寸為1mm×1mm×2mm）與冷端和熱端陶瓷基板的金屬線路層光學(xué)對準(zhǔn)，再在真空焊接爐內(nèi)進行熱壓燒結(jié)，獲得高性能TEC模塊，TEC模塊如圖1（b）所示。燒結(jié)壓力和燒結(jié)時間分別為2MPa和30min，燒結(jié)溫度在225~300℃。然后，在TEC模塊的冷端陶瓷基板再次印刷自制納米銀膏，并將4顆大功率藍光LED芯片（LED發(fā)光波長λ=450nm，尺寸為1.5mm×1.5mm×0.5mm）貼裝在納米銀膏表面，在250℃、2MPa條件下熱壓燒結(jié)10min。最后采用金絲球焊線機打線，實現(xiàn)LED芯片與冷端陶瓷基板的電連接，從而制備出LED-TEC主動散熱模塊，LED-TEC模塊如圖1（c）所示。對LED芯片施加電流時，4顆LED芯片均發(fā)出藍光，表明LED-TEC模塊電路連接正常，無短路等不良情況，圖1（d）為LED-TEC模塊點亮圖。為了避免TEC熱端累積過多的熱量和削弱TEC的主動散熱能力，將TEC熱端底部連接散熱器，以維持TEC熱端較低的工作溫度。此外，為了排除TEC模塊自身熱阻的影響，將LED芯片用納米銀膏固晶在冷端陶瓷基板后，用導(dǎo)熱硅脂直接貼裝在散熱器表面，對比有無TEC結(jié)構(gòu)對LED工作性能的影響，無TEC結(jié)構(gòu)的LED模塊的制備工藝流程如圖1（e）所示。

2.2 性能表征

采用配備能譜儀（EDS）的掃描電子顯微鏡（SEM）觀察納米銀膏、燒結(jié)銀層和互連接頭斷裂面的微觀形貌。采用臺階儀和RTS-8型四探針測試儀分別測試燒結(jié)銀層厚度和方塊電阻，從而計算出燒結(jié)銀層的電阻率。為了評估LED-TEC模塊的主動散熱性能，采用光電分析系統(tǒng)測量大功率LED芯片的輸出光功率。通過熱紅外成像儀采集LED芯片和LED-TEC模塊的冷端溫度，并通過熱電偶采集LED-TEC模塊的熱端溫度，其中TEC輸入電流和LED芯片電流的范圍分別為0.5~3.0A和0.2~1.0A，測試環(huán)境溫度約為24℃。

03

結(jié)果與討論

取少量納米銀懸浮液進行SEM測試，測試結(jié)果如圖2（a）所示，納米銀顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，顆粒粒徑主要分布在70~150nm，平均粒徑為96nm。金屬層低電阻率有助于電熱快速傳輸，對器件散熱有著重要影響。為此，探究了燒結(jié)溫度對燒結(jié)銀層電阻率的影響，燒結(jié)銀電阻率如圖2（b）所示，可以看出燒結(jié)銀層的電阻率隨著燒結(jié)溫度的升高而逐漸降低。當(dāng)燒結(jié)溫度從200℃增加到300℃時，電阻率從25.6μΩ·cm降低到2.31μΩ·cm。此外，納米銀顆粒在200℃燒結(jié)后已出現(xiàn)明顯的生長現(xiàn)象，粒徑增加至數(shù)百納米，顆粒以燒結(jié)頸方式相連。當(dāng)燒結(jié)溫度增加至300℃時，燒結(jié)頸尺寸明顯增大，并形成連續(xù)性燒結(jié)脈絡(luò)，實現(xiàn)了納米銀顆粒的高效燒結(jié)。圖2（c）顯示了燒結(jié)溫度對互連接頭剪切強度的影響，增加燒結(jié)溫度有利于增強互連接頭的剪切強度。當(dāng)燒結(jié)溫度從200℃增加到275℃時，剪切強度從2.4MPa增加到9.6MPa，當(dāng)燒結(jié)溫度進一步升高到300℃時，剪切強度略微降低到9.2MPa，因此275℃為TEC模塊的最佳燒結(jié)溫度。此外，對275℃燒結(jié)的互連接頭斷裂面形貌進行了分析，發(fā)現(xiàn)斷裂位置主要出現(xiàn)在Bi2Te3熱電粒子與Ni層之間，未出現(xiàn)在燒結(jié)銀層互連界面，說明Bi2Te3熱電粒子與自身Ni層結(jié)合強度較低，互連接頭斷裂面SEM圖如圖2（d）所示。

LED-TEC模塊橫截面微觀形貌和成分分析如圖3所示。納米銀膏在275℃燒結(jié)后，與熱電粒子和上下陶瓷基板金屬層形成了良好的接觸，可清晰觀察到燒結(jié)頸和粗化燒結(jié)韌帶等，且互連界面無明顯開裂現(xiàn)象。整個燒結(jié)銀層由彼此互連的燒結(jié)脈絡(luò)和納米級孔隙組成，與燒結(jié)銀層表面微觀形貌類似。值得注意的是，Bi2Te3熱電粒子與自身Ni層間出現(xiàn)了輕微裂縫，表明互連界面薄弱處為熱電粒子與Ni層間，未出現(xiàn)在燒結(jié)銀層互連界面，這與圖2（d）的斷裂面位置一致。此外，互連界面檢測到Ni、Bi、Te、Ag等主要元素，且Ni層、燒結(jié)銀層和Bi2Te3熱電粒子之間具有清晰的界面，無元素擴散現(xiàn)象，表明燒結(jié)銀層與Bi2Te3熱電粒子和陶瓷基板之間形成了良好的互連界面，無界面分層和開裂情況。

圖4（a）為TEC模塊的測試示意圖。將TEC熱端基板正負極接入直流電源，設(shè)置電源電壓閾值為30V，通過調(diào)節(jié)輸入電流來分析TEC模塊的熱電制冷性能。測量TEC內(nèi)阻時，將TEC作為電阻元器件，采用直流電源輸入電流，并測試TEC輸入端和輸出端的電壓差，根據(jù)歐姆定律計算TEC內(nèi)阻。圖4（b）顯示了輸入電流與TEC模塊電壓和內(nèi)阻的關(guān)系。TEC模塊電壓與輸入電流近似呈線性關(guān)系，當(dāng)輸入電流增加到3A時，TEC模塊電壓增加到9.45V，電阻值為3.15Ω。此外，在不同輸入電流下，TEC模塊的內(nèi)阻在2.80~3.15Ω間緩慢變化，平均內(nèi)阻為3.02Ω，說明TEC在工作時內(nèi)阻相對穩(wěn)定。圖4（c）顯示了不同輸入電流下TEC模塊的冷端溫度和熱端溫度，當(dāng)輸入電流從0A增加到3A時，TEC模塊的熱端溫度從20.5℃增加到80.4℃，而TEC模塊的冷端溫度先從20.5℃下降到-22.2℃，再上升到7.4℃。此外，隨著輸入電流的增加，TEC模塊的溫差先增加而后趨于平穩(wěn)，TEC模塊的溫度差如圖4（d）所示。當(dāng)輸入電流為2.5A時，TEC溫差達到最大值，約為72.4℃。隨著輸入電流的進一步增大，TEC模塊的溫差保持穩(wěn)定，無上升趨勢。這是由于TEC模塊在大電流作用下會產(chǎn)生過多的焦耳熱，焦耳熱會削弱TEC模塊的珀爾帖效應(yīng)，減弱TEC的制冷能力；此外，在大電流作用下，TEC模塊的熱端高溫會通過Bi2Te3熱電粒子傳遞到TEC模塊冷端，從而在TEC模塊冷端側(cè)表現(xiàn)出溫升現(xiàn)象，當(dāng)珀爾帖效應(yīng)與焦耳熱保持相對平衡時，TEC溫差不再繼續(xù)增加，保持相對穩(wěn)定。從器件制冷散熱的角度出發(fā)，希望TEC冷端保持低溫環(huán)境，TEC熱端溫度相對較低，從而避免引入新熱源，影響器件的散熱效果，因此，1.5A為TEC模塊的最佳輸入電流，此時TEC模塊冷端溫度最低，為-22.2℃，TEC模塊溫差高達56.2℃。

圖5（a）顯示了LED芯片電流和TEC工作狀態(tài)對LED-TEC模塊工作溫度的影響，其中TEC開啟時的輸入電流為1.5A。從圖5（a）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TEC開啟時，LED-TEC模塊的工作溫度始終低于TEC關(guān)閉時的工作溫度。TEC關(guān)閉時，當(dāng)芯片電流從0A增加到1.0A時，LED-TEC模塊的工作溫度從23.8℃升高到232℃；TEC開啟時，LED-TEC模塊的工作溫度先降低至4.8℃，再升高到123℃。相比于TEC關(guān)閉和無TEC結(jié)構(gòu)，在芯片電流為1.0A時，LED-TEC模塊可將工作溫度分別從232℃和166℃降低到123℃，降溫幅度分別達到109℃和43℃，說明TEC能有效降低LED的工作溫度。此外，隨著芯片電流的增大，風(fēng)冷散熱器表面溫度緩慢上升，但始終低于50℃。圖5（b）顯示了LED芯片電流和TEC工作狀態(tài)對LED輸出光功率的影響。LED輸出光功率隨著芯片電流的增大而增加，但TEC關(guān)閉和無TEC結(jié)構(gòu)時的LED輸出光功率明顯低于TEC開啟時的LED輸出光功率。當(dāng)芯片電流從0.2A增加到1.0A時，TEC關(guān)閉時LED輸出光功率從392mW增加到1087mW，無TEC結(jié)構(gòu)時LED輸出光功率從402mW增加到1308mW，TEC開啟時LED輸出光功率則從426mW增加1479mW。相比于TEC關(guān)閉和無TEC結(jié)構(gòu)，在芯片電流為1.0A時，LED-TEC模塊可將LED輸出光功率分別從1087mW和1308mW提升到1479mW，光功率提升幅度分別達到36.1%和13.1%。圖5（c）（d）分別表示TEC開啟和關(guān)閉時LED-TEC模塊的紅外熱像圖，其中LED芯片電流為0.8A。可以發(fā)現(xiàn)，LED-TEC模塊的熱點均出現(xiàn)在LED芯片表面，TEC開啟時LED工作溫度為77℃，遠低于TEC關(guān)閉時LED的工作溫度（183℃）。以上結(jié)果表明，LED-TEC模塊為大功率LED主動散熱提供了一種簡便、高效的方法。

04

結(jié)論

本文針對大功率LED的散熱需求，研究了大功率LED芯片直接固晶熱電制冷器主動散熱方法。首先利用高精度陶瓷基板和納米銀膏材料制備出高性能TEC，其中燒結(jié)銀層與熱電粒子和陶瓷基板間形成了良好的互連界面，無界面分層和開裂；當(dāng)TEC輸入電流逐漸升高時，TEC模塊的冷端溫度最低可達-22.2℃。隨后將LED芯片直接固晶于TEC冷端陶瓷基板焊盤上，實現(xiàn)LED芯片與TEC的集成封裝，制備出LED-TEC主動散熱模塊。在芯片電流為1.0A時，由于TEC的珀爾帖效應(yīng)，LED-TEC模塊可將LED芯片的工作溫度從232℃降低到123℃，降溫幅度高達109℃，且可將LED的輸出光功率從1087mW提升到1479mW，光功率提升幅度高達36.1%。實驗結(jié)果表明，大功率LED芯片直接固晶熱電制冷器是一種簡單、高效的主動散熱方法，有助于提高大功率LED的發(fā)光性能和長期可靠性，推動半導(dǎo)體照明技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)發(fā)展。