大功率LED散熱用陶瓷金屬基板的制備與性能研究.pdf

1、大功率LED芯片產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)有效的散失,將嚴(yán)重影響LED的發(fā)射光譜、發(fā)光強(qiáng)度、封裝材料性能、芯片的壽命等,因此,大功率LED的散熱問題一直是固態(tài)照明行業(yè)的一大技術(shù)瓶頸,在傳統(tǒng)封裝工藝生產(chǎn)的LED中,基板散熱因其直接有效的散熱優(yōu)勢成為國內(nèi)外重點(diǎn)研究的對(duì)象,其中氮化鋁(AlN)陶瓷基板因其高的絕緣性、高的化學(xué)穩(wěn)定性、高的熱導(dǎo)率及與多種半導(dǎo)體器件材料相匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn),在大功率光電器件的封裝領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文

2、在分析和總結(jié) AlN陶瓷基板表面金屬化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)有工藝技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),運(yùn)用響應(yīng)曲面試驗(yàn)法設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)過程;采用了化學(xué)鍍銅技術(shù)金屬化AlN陶瓷基板表面,并分別用SEM、EDS、XRD、鍍層附著力劃痕實(shí)驗(yàn)、電導(dǎo)率測試、熱導(dǎo)率檢測等對(duì)AlN陶瓷基板表面的銅鍍層與基板的整體性能進(jìn)行了表征與分析;以銅鍍層的結(jié)合力及電導(dǎo)率為考察指標(biāo),用響應(yīng)曲面法分析并優(yōu)化了AlN陶瓷基板表面化學(xué)鍍銅的工藝參數(shù);在優(yōu)化參數(shù)基礎(chǔ)上研究了膠體鈀活化和退

3、火處理對(duì)鍍層結(jié)合力等性能的影響;最后將制備的AlN陶瓷鍍銅基板與GaN-LED燈珠簡單封裝,與常用的六角鋁基板封裝的LED進(jìn)行對(duì)比,實(shí)驗(yàn)測試并用多物理場有限元仿真軟件Comsol Multiphysis研究了其熱電特性;最后,從芯片考慮產(chǎn)熱情況,用數(shù)值仿真模擬的手段分別研究了ITO、石墨烯及ITO+石墨烯作為透明導(dǎo)電層和p-Pad電極掩埋深度對(duì)GaN芯片熱電特性的影響。得到的主要結(jié)果如下:
　?、龠\(yùn)用化學(xué)鍍技術(shù)在AlN陶瓷基板表面

4、制備了平整、致密、無缺陷、結(jié)合力較好、厚度適宜的晶體結(jié)構(gòu)的銅鍍層,且銅層與 AlN陶瓷基板間無氧化鋁等過渡層生成。
　?、诶庙憫?yīng)曲面法設(shè)計(jì)、分析并優(yōu)化了以銅鍍層的結(jié)合力和電導(dǎo)率為考察指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù),結(jié)果表明:結(jié)合力最大的工藝參數(shù)為硫酸銅21.61g/L、酒石酸鉀鈉31.18g/L、甲醛26.32 mL/L、pH=13.39和溫度45.61℃,其中,除甲醛外的各因素含量的增加不利于結(jié)合力的提高,結(jié)合力最大為20.56N;電導(dǎo)率

5、最大的工藝參數(shù)為硫酸銅19.57g/L、酒石酸鉀鈉38.76g/L、甲醛29.84 mL/L、pH=12.90和溫度35.87℃,其中,除pH外的各因素含量的增加有利于結(jié)合力的提高,電導(dǎo)率最大為2.71×106S/m;綜合各因素等對(duì)結(jié)合力和電導(dǎo)率的影響,得到最優(yōu)工藝參數(shù)為:硫酸銅20g/L、酒石酸鉀鈉35g/L、甲醛35 mL/L、pH=13.0和溫度40℃,并通過實(shí)驗(yàn)獲得此最優(yōu)參數(shù)下的結(jié)合力為18.45N,電導(dǎo)率為2.65×106 S

6、/m,沉積速率為0.026 g/s.cm2,熱導(dǎo)率為147.29 W/m?K。
　?、弁ㄟ^退火和膠體鈀活化處理影響的研究,得到300℃退火及25min活化最有利于提高鍍層的致密性、結(jié)合力、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。
　?、芊謩e將本文制備的AlN陶瓷鍍銅基板和常用的Al基板與GaN-LED燈珠進(jìn)行表面封裝,測試熱阻分別為2.71℃/W和10.61℃/W;并進(jìn)行紅外熱成像測試,最高溫度分別為63℃和77℃,且AlN陶瓷鍍銅基板封裝的LED

7、溫度分布均勻,散熱性能更好。
　　⑤運(yùn)用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics,分別模擬了AlN基板和Al基板封裝LED的熱電特性,與紅外成像測試結(jié)果對(duì)比,相對(duì)誤差分別為0.60％和0.92％,軟件模擬能較真實(shí)的仿真LED的產(chǎn)熱和散熱情況;
　?、薹謩e用銦錫氧化物(ITO)、石墨烯(Gr)和銦錫氧化物+石墨烯(ITO+Gr)作為GaN芯片的透明導(dǎo)電層,運(yùn)用仿真模擬手段研究了對(duì)芯片熱電特性的影響,發(fā)現(xiàn):100nm