基于LTCC的高功率LED封裝的建議

文檔從互聯(lián)網(wǎng)中收集，已重新修正排版，文檔從互聯(lián)網(wǎng)中收集，已重新修正排版，word格式支持編輯，如有幫助歡迎下載支持。6word6word格式支持編輯，如有幫助歡迎下載支持?；贚TCC的高功率LED封裝的建議摘要多層陶瓷金屬是基于低溫共燒陶瓷（LTCC）高功率多層陶瓷金屬封裝而提出的，以符合最近的高功率Led生產(chǎn)的需求，建議的方案利用橫截面面積比普通LED芯片尺寸更大的散熱片塞，片塞可以在一單個燒制過程中構(gòu)建。對于可靠的LED封裝和燒結(jié)銀熱導(dǎo)率相當(dāng)于散裝銀的，陶瓷金屬接口匹配質(zhì)量可以接受的。MLCMP的建議相當(dāng)于散熱器現(xiàn)有類型塞封裝，其中芯片位于塞和金屬散熱片有效地傳遞熱量由散熱片塞援助電路板。多層陶瓷金屬的熱阻是數(shù)值和實(shí)驗(yàn)的評價。在數(shù)值模擬MLCMP與傳統(tǒng)散熱片式封裝和基于氮化鋁的封裝進(jìn)行了比較。三種封裝方式的電阻小于10K/W。由于viaslug截面的增加，MLCMP熱電阻值高于其他兩種封裝方式。瞬態(tài)熱分析儀用來測量MLCMP工作的實(shí)際抗熱性。測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行與解決方案進(jìn)行比較。MLCMP貢獻(xiàn)的熱阻表明要小于1.0K/W考慮市民的負(fù)擔(dān)能力和設(shè)計的靈活性，我們預(yù)料MLCMP的建議不是適合于高功率LED封裝，但也照明模塊解決方案是有前途的。簡介從簡單的信號指示器，背光的液晶面板、室外屏、汽車的指標(biāo)以及交通信號燈，固態(tài)照明（SSL），擴(kuò)大了其應(yīng)用?，F(xiàn)在，由于環(huán)境親和性和能源效率SSL可望成為最有前途的一般照明解決方案和從多要求高光通量的應(yīng)用。為了符合這些要求需要提供可靠包裝技術(shù)，以及更有高效的發(fā)光二極管（LED）。提出了各種高功率LED封裝（PKGs）。［1］Lumileds的Luxeon和歐司朗的金龍［2］是代表。這些封裝,配備大體積內(nèi)嵌式散熱的金屬。憑借內(nèi)嵌式的金屬，抗熱性的PKGs遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)LED封裝。但是，大多數(shù)基于高功率PKGs的引線框架體積大，占用電路的板面積多。陶瓷PKG的優(yōu)點(diǎn)是表面小，能在高溫、紫外線輻射、保持長期穩(wěn)定的耐力。由于形成多層電路能力，陶瓷PKG可以方便地制作照明模塊包括高反射金屬層、信號通過單獨(dú)的PKGs與焊接模式之間的互連。如要求高功率Led在惡劣的環(huán)境的應(yīng)用，例如汽車發(fā)動機(jī)室、沙漠或海，在高溫、高紫外線輻射或腐蝕性化學(xué)品，穩(wěn)定性已變得越來越重要。特別是白光LED結(jié)合紫外發(fā)光LED和多彩色熒光粉將會在一年內(nèi)盛行，在紫外線輻射中材料的穩(wěn)定性將成為LED封裝中最關(guān)鍵的問題之一，而陶瓷材料將大有前途［3］。然而，陶瓷PKGs的大規(guī)模應(yīng)用高功率LED封裝主要是由于陶瓷材料低導(dǎo)熱系數(shù)和成本方面而推遲。例如氧化鋁（氧化鋁、Al2O3）的熱導(dǎo)率是約50W/m.K。在低溫度情況下Co-fired陶瓷（LTCC），這是一種結(jié)合氧化鋁和玻璃的材料，熱導(dǎo)率是約5W/m.K。氮化鋁（AlN）將是唯一的例外，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱系數(shù)達(dá)到180W/m-Ko不過，高貴的陶瓷的大規(guī)模應(yīng)用減緩主要得益于原料成本和先進(jìn)的制造工藝面。在此研究中，我們將提出一個全新的PKG結(jié)構(gòu)結(jié)合傳統(tǒng)的金屬引線框架優(yōu)勢的PKGs和陶瓷的PKGs，這意味著新的PKG結(jié)構(gòu)的熱阻，將相當(dāng)于現(xiàn)有的PKGs，并且它在設(shè)計方面的更靈活、商業(yè)化。多層結(jié)構(gòu)的陶瓷金屬封裝大部分的高功率的現(xiàn)有封裝，功于合金彈頭或散熱片以降低熱阻。通過金屬嵌條消散從LED芯片產(chǎn)生的熱量并將其傳輸?shù)酵猸h(huán)境中。然而，陶瓷封裝除了電子導(dǎo)電的小直徑的孔外并沒有這樣的設(shè)備。熱阻主要取決于陶瓷材料的熱導(dǎo)率，陶瓷封裝本身并發(fā)揮導(dǎo)熱的作用了。有許多試圖改善陶瓷封的裝熱性能[4][5][6]。大部分的嘗試集中在陶瓷材料附加金屬導(dǎo)熱。LTCC-M（低溫共燒陶瓷金屬）技術(shù)或過孔陣列具有代表性。然而，低溫共燒陶瓷-M的技術(shù)需要多余的釬焊或焊接工藝。通孔的陣列可能是在傳統(tǒng)LED的芯片尺寸300微米X300微米，功率小于0.1瓦特。不幸的是，在大多數(shù)情況下，商用通孔直徑在200微米之間，過孔之間的距離應(yīng)大于2.5倍的直徑?？紤]到大部分高功率LED芯片尺寸大于1.0毫米X1.0毫米，通過傳統(tǒng)的陣列截面面積對于高功率LED的熱傳輸路徑不足夠。提高陶瓷基板的熱導(dǎo)率的工作由M.A.Zampino開拓。在研究中，他們將熱通過直徑擴(kuò)大達(dá)1.1毫米從而獲得的255W/m-K熱導(dǎo)率通過陣列，超過普通的金屬。在此研究中，我們吸收了基于成高功率LED封裝的LTCC的熱通道德余熱。原因是我們把重點(diǎn)放在LED封裝的特點(diǎn)LTCC的熱通道上；即使高功率Led的熱負(fù)荷超過100W/cm2,相比普通的硅芯片上的熱負(fù)荷限制在一個小區(qū)域。鑒于viaslug大小是相當(dāng)于LED晶粒尺寸，它將作為有效的散熱片。1、金屬芯2、電極3、低溫共燒陶瓷4、反射器5、LED6、金線7、密封劑圖。2。MLCMP的制造工藝（一）綠色板材貼合（二）沖孔（三）金屬芯灌裝（四）射擊（五）反射附件（六）芯片安裝（g）封裝多層陶瓷金屬封裝（MLCMP）的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其制造過程如圖2所示。MLCMP的最重要的特征之一是通過viaslug下方存在大規(guī)模的的led,借以MLCMP保證其作為一種高功率包解決方案的性能。在燒結(jié)過程中，綠色陶瓷片和金屬粘貼運(yùn)動不同。通在燒結(jié)過程，直徑少于200Hm小范圍內(nèi)’不匹配收縮'不會造成了致命的問題。MLCMPviaslug的大小通?？赡艹霈F(xiàn)超過1毫米直徑的裂縫或de-lamination引起收縮不匹配。通過調(diào)整的金屬粘度粘貼（或調(diào)整金屬粉末/溶劑比）和故意操縱溫度分布，從而成功克服收縮的不匹配。圖3金屬陶瓷界面的橫截面如圖3所示，在金屬-陶瓷界面形態(tài)沒有包含任何其大小足以使熱性能致命的的空隙或空腔。在聚合物的蒸發(fā)和燒結(jié)的過程中陶瓷和金屬之間形成微小的空隙。從上述觀點(diǎn)和先前的工程，我們認(rèn)為陶瓷和金屬材料的物理和熱性能是幾乎等同于散狀物料。[7]在先例的工作，燒結(jié)銀磁帶的導(dǎo)熱系數(shù)是約300W/m.K，即實(shí)際上兼容的大容量銀為400W/m.K。在以下的模擬部分中，熱導(dǎo)率通過輔助信息被設(shè)置為300W/m.K。評價方法文檔從互聯(lián)網(wǎng)中收集，已重新修正排版，文檔從互聯(lián)網(wǎng)中收集，已重新修正排版，word格式支持編輯，如有幫助歡迎下載支持。6word6word格式支持編輯，如有幫助歡迎下載支持。文檔從互聯(lián)網(wǎng)中收集，已重新修正排版，文檔從互聯(lián)網(wǎng)中收集，已重新修正排版，word格式支持編輯，如有幫助歡迎下載支持。LL下載支持。多層陶瓷金屬熱電阻為數(shù)值計算和實(shí)驗(yàn)。在數(shù)值的評估中，多層陶瓷金屬與散熱片式PKG(Lumileds'Luxeon)，和氮化鋁基陶瓷PKG進(jìn)行比較.在實(shí)驗(yàn)的評估中，瞬態(tài)熱分析儀用來測量抗熱性MLCMP的工作樣本。組件材料厚度密度卜8仇比熱J/kg.K熱導(dǎo)率W/m.KHeatslugCopper8880375350ViaslugSilver,sintered9500220300LTCCDupont95131009893.0AluminumNitrideAlN3400730120Mold,EncapsulantNylon115017000.2ChipSilicon2330712150ChipdiebonderAgpaste20350015002.5SolderSn/Ag/Cu100750023060BondingepoxyThermalepoxy5019008000.8PCBbaseAluminum15002700900250CircuitPatternCopper758880375350DielectriclayerBergquistt-clad751250130022表1.封裝模型的材料物理性能在Luxeon的數(shù)值模型的情況下，其厚度是50口m的熱環(huán)氧在散熱器輔和金屬芯片的PCB的底部之間插入(圖4(a))。然后，金屬焊接假定在MLCMP和AlNPKG(圖.4(b),(c))為了比較AlNPKG和MLCMP之間的熱電阻，AlNPKG的數(shù)值模型的尺寸被設(shè)置為相同MLCMP。MLCMP的viaslug被設(shè)定介于1.68mm2(Lvs=1.4mm,Wvs=1.2mm)to3.08mm2(Lvs=2.2mm,Wvs=1.4mm).立)在所有情況下，考慮倒裝片的LED和垂直方向的LED的兩者，我們假定熱源(i.e.LED)是硅膠和尺寸是1.2毫米x140毫米芯片的組成。熱發(fā)電量輸入設(shè)置為1.0w,止匕外，假定銀環(huán)氧芯片焊接為了造型方便，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)不會直接影響刪節(jié)的熱性能。圖4。與表1。記錄每個PKGs模型的詳細(xì)的設(shè)置。在此研究中，商業(yè)的計算流體動力學(xué)、基于有限體積法的CFD代碼，F(xiàn)VM的使用[8]。計算區(qū)域呈長方形，底

部臉毗鄰的金屬印刷電路板的底部?？紤]一個散熱器和電風(fēng)扇強(qiáng)制對流，在假設(shè)金屬PCBs底部的常對流系數(shù)為50W/m2-K。所有其他計算領(lǐng)域的開放環(huán)境空氣的溫度為293k。MLCMP熱電阻的實(shí)驗(yàn)研究評估以結(jié)構(gòu)功能為基礎(chǔ)的瞬態(tài)熱分析[9]。假設(shè)作為一個電阻和電容器組成的熱力系統(tǒng)，分析儀能夠以圖形方式表示的時間依賴熱流量路徑的行為特點(diǎn)。特別是，結(jié)構(gòu)函數(shù)的微分是已知的至關(guān)重要的能準(zhǔn)確評估該系統(tǒng)的熱特性，闡明熱接口貢獻(xiàn)[10][11][12]立)圖.4.封裝仿真模型(a)Luxeon,whereR1=2.8mm,R2=1.5mm,H1=1.0mm,H2=2.0mm(b)AluminumNitridePKG,whereL=W=5.0mm,H=0.6mm(c)MLCMP,whereL=W=5.0mm,H=0.6mm,Lvs=1.4,1.8,2.2mm,Wvs=1.2,1.4mm.圖.5.MLCMP工作示意圖.垂直導(dǎo)電LED(Epi-down).Au-Sn共晶焊料.siliconsubmount(1.3x1.6x0.15t).環(huán)氧銀(2.5W/m-K,10um).無鉛焊錫(100um).金屬PCB(75^mCufoil,75^mdielectriclayerof1.5W/m?KonAluminum)圖5顯示了樣品MLCMP工作的示意圖。LED芯片是垂直導(dǎo)電及其主動發(fā)光層位于底部。盡管我們已經(jīng)成功在粗糙度為5口m-1口山的平坦的表面把芯片直接連接到viaslug。硅submount插入在芯片和MLCMP之間。結(jié)果與討論圖6，MLCMP芯片的溫度輪廓顯示，viaslug,焊料和PCB,whereLvs=1.8mm,Wvs=1.4mmand1.0W產(chǎn)生的熱量臨界溫度KPCB溫度K熱電阻K/WLuxeon34.925.49.5AlN35.027.08.0MLCM37.028.58.5表格2.模擬的摘要 *:Lvs=1.8mm,Wvs=1.4mm圖6顯示了當(dāng)Lvs是1.8毫米，Wvs是1.4毫米時，模擬結(jié)果之一的MLCMP溫度輪廓。表2顯示溫度差異與PCB熱電阻臨界值。結(jié)果顯示，MLCMP抗熱性是略高于AlNPKG,也低于Luxeon。在實(shí)踐中，鑒于臨界處環(huán)境熱電阻通常超過幾十K/W,PKGs的熱電阻差異是可以忽略不計。ViaSlug的橫截面面積,mm2Fg.7.MLCMP的電阻變化根據(jù)金屬芯片的橫截面面積隨Luxeon和AlNPKG的變化而變?yōu)榱私档投鄬犹沾山饘贌犭娮?，viaslug的橫截面面積應(yīng)最大化、厚度應(yīng)盡量減少。最近,我.們已經(jīng)成功地在不同的角落將規(guī)模擴(kuò)大到1.5x2.1毫米,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大多數(shù)現(xiàn)有LED模大小與倒裝芯片配置的情況下submount的大小相當(dāng)。隨著viaslug的截面積的增加，多層陶瓷金屬抗熱性線性遞減。如果我們大小增加大于4.0mm2,熱阻將下降低于現(xiàn)有PKGs(圖7)。然而，在這種情況下，MLCMP的大小應(yīng)增至保持陶瓷金屬界面的質(zhì)量和，此外這會使MLCMP失去作為小型高功率PKG.的的優(yōu)點(diǎn)。圖.8.垂直截面的溫度輪廓(a)Luxeon(b)AlN(c)MLCMP圖8顯示了每個PKGs垂直剖面的溫度輪廓。Luxeon的散熱片(圖8（a））和多層陶瓷金屬viaslug（圖8（c）），與AlNPKG相比時，顯示溫度基本一致。圖8（b））。在AlNPKG中，我們注意到所謂‘45度傳播’，當(dāng)其與多層陶瓷金屬中的銀和Luxeon中的銅相比較時，補(bǔ)償?shù)X相對低的熱導(dǎo)率。在另一方面，MLCMP的viaslug由陶瓷包圍，厚度小這可以假定為熱絕緣體，其在viaslug的熱傳遞近沿一維方向向下，這可使有效傳熱面積限制在MLCMP的底部。幸運(yùn)的是，金屬焊接和PCB上的銅層的熱量分散到一定范圍內(nèi)，有效傳熱面積在MCPCB的介電層可以擴(kuò)大。金錫共晶焊料熱沉硅膠環(huán)氧銀viaslug（多層陶瓷金屬）焊料,PCB結(jié)點(diǎn)到外殼結(jié)點(diǎn)到板圖9、測量不同的結(jié)構(gòu)功能顯示多層陶瓷金屬工作組成的各個組件熱阻圖9顯示了多層陶瓷金屬的兩種工作情況的不同結(jié)構(gòu)功能。兩個結(jié)構(gòu)功能都幾乎相同，這意味裝配過程可靠性。已知差結(jié)構(gòu)函數(shù)的單峰指示的熱性能或如芯片粘接環(huán)氧樹脂熱接口的突然變化。微分結(jié)構(gòu)函數(shù)的局部峰值，被認(rèn)為是表明熱性能，或者是熱接口（例如是環(huán)氧芯片鍵合）的局部突變。從實(shí)驗(yàn)所得，從接合點(diǎn)到外殼熱電阻約為8.5K/W,從接合點(diǎn)到板熱電阻約為11.0K/W.。此外，比較多層陶瓷金屬工作的結(jié)構(gòu)和不同的結(jié)構(gòu)功能，可以推斷出來每個組件的熱電阻。表3分析顯示每個組件基于物理屬性和尺寸的熱阻。將每個解決方案的實(shí)驗(yàn)的值進(jìn)行比較。除金錫共晶焊料，所有的值相匹配的好。據(jù)了解，熱界面熱阻對焊接質(zhì)量有很大的依賴，即使一小部分的金屬焊料被困的空隙可以大大扭曲熱阻[13].原因是為何除了金錫焊料，分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)值難于匹配。總之，多層陶瓷金屬結(jié)構(gòu)可以很好地幫助論證熱傳輸只能由一維的傳導(dǎo)分析方案的主要假設(shè)。體積的變化，或者熱量傳遞的熱容量的變化不是太大，低溫共燒陶瓷絕了緣本身周圍熱傳遞。組件銅錫焊料熱沉硅環(huán)氧銀Viaslug,orMLCMP焊料電路樣品介質(zhì)層厚度，um2.0150106001007575熱導(dǎo)率W/m?K501502.53006035015面積mm20.641.002.082.5252525熱電阻（分析l）,K/W0.061.00.02.0熱電阻（實(shí)驗(yàn)l）,K/W4.02.5表3：倫理數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)的比較 *:Harmonicallyaveragedvalueofthetopandbottomareas從上面的結(jié)果表明多層陶瓷金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)勢是封裝結(jié)構(gòu)導(dǎo)致熱電阻值小于1.0K/W。這仍是高功率LED封裝的競爭力，即使添加熱沉硅和銀環(huán)氧，結(jié)點(diǎn)到外殼的總熱阻小于10K/W。如果將工作中的多層陶瓷金屬樣品的由粗糙度芯片焊盤更大的他芯片代替和銀環(huán)氧換成金屬焊。多層陶瓷金屬的總熱阻將更進(jìn)一步減少。結(jié)論在此研究中，我們演示了將低溫共燒陶瓷技術(shù)能成功結(jié)合到高功率LED封裝。在熱管理方面，多層陶瓷金屬相當(dāng)于現(xiàn)有的高功的LEDPKGs。憑借嵌入式銀散熱片，多層陶瓷金屬體現(xiàn)出高功率LEDPKG解決方案，其體積大小是比現(xiàn)有的PKGs小得多。多層陶瓷金屬最有前景的方面可能是其商業(yè)可購性高和設(shè)計靈活性好。構(gòu)成多層陶瓷金屬的這些材料很容易以合理的價格購得。低溫共燒陶瓷的制造工藝已經(jīng)在無線電頻模塊制造中確定。此外多層陶瓷金屬能夠符合各種光通量的需求和電力配置，只要明確'打破和附加'那個是陶瓷的內(nèi)在優(yōu)勢之一。圖10所示的照明模塊是由16個多層陶瓷金屬模塊，金屬印制板，和一個沒有冷卻扇的商用CPU組成。在圖10中可以見到多層陶瓷金屬模塊組成的照明模塊。這個模塊可以供應(yīng)16個高壓LED大概20W的電力。總光通量達(dá)到650流明。在合適的冷卻條件下，多層陶瓷金屬模塊將會是光引擎和照明模塊可靠的解決方案。參考文獻(xiàn)-//Sh