多芯片阵列组合白光LED封装研究(1)

多芯片阵列组合白光LED封装研究作者：黄春英，陈修禹，HUANGChun-ying，CHENXiu-yu作者单位：黄春英,HUANGChun-ying(广东技术师范学院,机电学院,广州,510635)，陈修禹,CHENXiu-yu(九江职业技术学院,江西,九江,332007)刊名：煤矿机械英文刊名：COALMINEMACHINERY年，卷(期)：2009，30(3)引用次数：0次参考文献(4条)1.高亮度白光LED技术及市场分析2004(4)2.刘行仁.薛胜薜.黄德森.林秀华白光LED现状和问题[期刊论文]-光源与照明2003(3)3.高效率白光LED技术2003(4)4.王晓军.黄春英.刘朝晖矿用高亮度白光LED灯串封装技术研究[期刊论文]-煤矿机械2007(4)相似文献(10条)1.期刊论文黄春英.王晓军多芯片阵列组合白光LED封装研究-电子与封装2010,10(2)文章阐述了LED器件的发光原理和芯片电极结构,围绕白光HB-LED的封装工艺,设计单个大功率芯片封装结构并对整个封装工艺进行研究,提出了多芯片阵列组合封装的创新理念,将其应用于多芯片阵列封装模块中.得出HB-LED封装中关键技术问题是提高外量子效率,采用高折射率硅胶减少折射率物理屏障带来的光子损失;采用高热导率的材料,减少由于封装工艺的缺陷带来的界面热阻.2.学位论文苏达大功率LED封装散热性能的若干问题研究2008LED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RoHS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SW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1．1mm的铝基板，空气对流系数为10W/（㎡·K）时，5W多芯片白光LED阵列封装的热阻为2．563K/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。3.学位论文刘文明微压力传感器和白光LED封装的工艺力学数值模拟2006随着MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)的发展，MEMS器件在航空/航天/汽车/生物医学/环境监控/军事等领域得到越来越广泛的应用。其中MEMS封装是MEMS技术发展的瓶颈之一，其封装成本占MEMS器件总成本约80％。MEMS封装通常涉及多层材料组成，由于这些材料通常具有不同的力学特性和热特性，这样就存在热膨胀不匹配现象，导致应力集中，以及产生各种失效。MEMS器件的可靠性很大程度上取决于封装。为此，本文提出了MEMS器件及封装中的工艺力学概念，并围绕这个概念所涉及的主要问题进行了研究。文章首先介绍了MEMS器件及封装过程中的工艺力学研究的方法并提出将有限单元法应用于工艺力学研究中。介绍了有限单元法建模与网格划分的基本方法和常用的网格算法，归纳了FEMLAB,ANSYS,ABAQUS,HYPERWORKS/FLUENT等有限元工具的特点；分析了有限单元法解的性质，总结了收敛准则；阐述了MEMS器件及其封装中主要的两种模型。针对MEMS的典型器件微压力传感器建立了其有限单元法模型，分析/比较和验证了由经验公式产生的三组参数，通过实验测得了MEMS压力传感器的相关数据。文章还建立了白光LED的单芯片和多芯片组封装模型。通过单芯片LED的数值模拟结果表明：温度梯度越大，能量的衰减也越大，芯片附近存在应力集中。最后文章还研究了多芯片LED微喷散热结构的温度场与LED芯片的功率以及温度场与微喷水流速度的关系并通过实验测得相关数据。4.学位论文马泽涛白光高亮度发光二极管（HB-LED）封装研究2005最近随着发光二极管(LED)芯片发光效率的提高以及大功率高亮度LED(HB-LED)芯片的制备成功，使得白光HB-LED固态照明成为现实，特别是以后与太阳能电池等节能电源的集成，将成为未来绿色的全固体态节能照明光源。由于白光HB-LED与传统光源相比的突出性能以及其未来的巨大市场前景，各个国家地区争相投资研发白光LED照明光源，这也将推动相关的光电子、材料、能源、半导体芯片制作以及封装行业等进一步的发展。本文主要工作围绕白光HB-LED的封装工艺，设计单个大功率芯片封装结构并对整个封装工艺进行研究，提出Chip-On-Board(板上封装)芯片级以及系统级封装的创新理念，将其应用于多芯片阵列封装模块中，并有针对性的提出热管理方案。具体包括以下内容：首先，简单阐述了LED器件的发光原理和芯片电极结构，介绍大功率芯片的制作工艺流程，并结合LED芯片封装结构的演变介绍目前国际主流白光封装技术。接着，根据LED光源的特性，讨论其光子在内部产生到出射的光学过程，建立单个光源的几何光学模型，并得出多芯片阵列的在空间平面照度分布的数学模型。其次，介绍传热学理论基础以及目前高效的芯片制冷技术，建立多芯片阵列集成冷却模块的热学模型并进行参数分析。最后，深入研究了制作白光HB-LED整个封装工艺过程，制备出单芯片和多芯片HB-LED模块的样品，在一定散热制冷条件下，做了发光以及散热等相关测试和分析。由于封装很大程度决定了LED发光器件的性能，本课题的研究为高亮度LED芯片封装具有重要的实用价值。5.会议论文吴海彬.叶光.王昌铃多芯片集成功率型白光LED研究2004首先简要回顾了实现大功率白光LED的途径,然后介绍了我公司通过多芯片集成实现大功率白光LED的优缺点、老化特性、光学品质以及相关驱动技术.6.学位论文杨凤双白光LED用YAG：Ce'3+荧光粉的新型低温燃烧法合成与光谱性质研究2009发光二极管自从20世纪60年代发明以来，随着半导体技术的发展，发光效率得到了巨大的提高。发光二极管的发射波长也由最初的红光，延伸到了红外光及近紫外光的部分。自从1996年日亚（Nichia）公司组装成第一支白光LED以来，由于白光LED是一种高效、节能、环保、长寿命的新型固态照明技术，被誉为21世纪必然取代高能耗的白炽灯和易污染环境的汞蒸气激发的荧光灯的新一代光源。研究人员提出了制备白光发光二极管的途径：1）采用红、绿、蓝三色LED芯片组合发光，即多芯片白光LED；2）荧光转换型，采用单个蓝光LED芯片激发黄色荧光粉。目前，“荧光转换技术”是已实际应用的产生白光的主要途径，它具有简单、低成本的优点，其技术原理是使用发射黄光的无机稀土发光材料与发射蓝光的InGa或InGaN半导体管芯封装组成白光LED。因此，稀土发光材料是白光LED器件的核心和关键，并已成为当前发光材料领域的研究热点，同时研制LED用的荧光粉的关键是：荧光粉在紫外光（400nm左右）或蓝光（460nm左右）区域能够有效激发，而且发光效率高。YAG：Ce3+黄色荧光粉是目前白光LED器件中广泛应用的商业荧光粉。然而，由于YAG：Ce3+成相温度很高，并且需要较长反应时间，导致产业化生产成本很高。因此，开展新型低温、快速合成方法的探索研究，降低YAG的成相温度，缩短反应时间，获得具有较好颗粒形貌、以及光学性能良好的YAG：Ce3+荧光粉，具有十分重要的意义。虽然目前已有很多关于改进YAG：Ce3+合成方法的文献报道，但是合成温度仍旧偏高及反应时间较长。有鉴于此，本论文探索性开展了YAG：Ce3+荧光粉的新型低温燃烧法合成工作：在传统燃烧法的基础上，通过添加一种新的燃烧剂盐酸肼，在300℃点火，仅一步低温燃烧，就得到YAG：Ce3+荧光粉，同时系统的研究了不同点火温度的影响、盐酸肼不同加入量的影响、不同后烧结温度的影响、还原气氛的影响以及与尿素燃烧法进行了比较探讨，通过红外光谱及热重分析确定样品中没有残余的盐酸肼。7.学位论文吴占超Eu'2+激活的磷、铝酸盐荧光粉的制备，发光及其在近紫外LED的应用研究2007自从1996年日亚(Nichia)公司生产出GaN基白色发光二极管(whitelight-emittingdiodes，WLED)以来，半导体白光二极管固态照明与传统的固态照明技术(白炽灯、荧光灯)相比，显示出使用电压低、光效高、适用性广、稳定性好、对环境友好、颜色可调等优点，被喻为新一代照明光源。目前白光LED主要通过两种途径产生白光：一种是荧光转换型，即用单个LED芯片和荧光粉组合发光；另一种方法是采用红、绿、蓝三色LED芯片组合发光，即多芯片白光LED。现在世界各国商业化、大规模生产的主要是荧光转换型WLED。另一方面，随着半导体芯片研究理论和技术的发展，芯片的发射波长已经从蓝光(～460nm)移到近紫外．紫光区(350～420n