大功率LED封装用散热铝基板的制备与性能研究

摘要

LED(Light Emitting Diode)作为一种优秀的半导体光电器件，以其体积小、耗电量低、使用寿命长、环保灯优点，有望在未来的10～20年内成为新一代理想的固态节能照明光源。随着LED向高光强、高功率发展，LED的散热问题日渐突出。散热问题影响到LED的光输出特性和器件的寿命，是大功率LED封装中的关键问题。
　　 本文针对大功率LED的散热问题，选择研究LED封装用绝缘铝基板。首先对用磁控溅射法制备AlN/Al基板和用阳极氧化的方法制备Al2O3/Al基板的两种工艺以及用化学镀铜或溅射镀铜电极进行了探索，然后选择阳极氧化铝基板和磁控溅射镀铜电极的工艺制备了铝基板，并验证了铝基板应用于LED上的散热效果。通过正交试验的方法寻找制备阳极氧化铝基板的优化工艺，测试和分析了其热学、电学、力学性能，结果表明：阳极氧化铝基板的热阻大致与膜厚成正比，此外还受空隙率影响；阳极氧化工艺中电流密度越小，H2SO4浓度越低，阳极氧化时间越短，膜厚越小，热阻也越小；温度越高，膜厚越小，但孔隙率也越大，最终热阻在温度取15℃取得最小。最佳工艺参数为：电流密度2A/dm2，温度15℃，H2SO4浓度190g/L，时间30min，取得最小热阻值为1.56℃/W，膜厚为6.4μm，热阻值基本上都达到GJB1651标准。阳极氧化铝基板的绝缘电阻率达到1011Ω·m量级。阳极氧化铝基板的膜层与基体之间的结合强度为14.5N，大于深圳大正科技有限公司的铝基板。将阳极氧化铝基板应用于红、蓝、绿3种颜色的1W、3W、5W三种功率的9种LED灯，发现对同一功率LED，绿光LED的温升速度最快；与现有铝基板产品相比，自制铝基板在1W、3W的蓝光LED上升温速率和稳定温度明显小于现有产品，在5W的三色LED上，自制铝基板的升温速率和稳定温度均明显小于现有产品。测试结果表明：自制的阳极氧化铝基板的散热效果优于现有铝基板，有望应用于5W级大功率LED。
　　 此外，还初步探索了热管散热和半导体制冷两种主动散热技术。热管散热技术能将5W级LED结温降低到32.8℃，温升只有7.8℃；半导体制冷与热管复合散热结构能将5W级LED结温降低到29℃，温升只有4℃，散热效果非常显著。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究背景及问题的提出

1.1.1引言

1.1.2 LED封装

1.1.3 LED散热问题的提出

1.2国内外研究现状

1.2.1芯片散热结构

1.2.2散热基板

1.3论文选题目的和研究的主要内容

1.3.1本文研究的目的

1.3.2本文研究的主要内容

2 LED散热基板的制备方法摸索

2.1 LED散热基板的简介

2.2磁控溅射法制备AlN／Al基板

2.2.1氮化铝薄膜性质

2.2.1实验仪器

2.2.2衬底的清洗

2.2.3实验过程

2.2.4氮化铝薄膜的制备条件

2.2.5氮化铝薄膜铝基板的制备结果

2.3阳极氧化法制备Al2O3／Al基板

2.3.1阳极氧化原理

2.3.2阳极氧化膜性能

2.3.3阳极氧化分类

2.3.4阳极氧化处理的主要工序

2.3.5阳极氧化铝基板的制备结果

2.4两种制备方法的比较

2.5电极制备

2.5.1化学镀铜

2.5.2磁控溅射制备铜电极

2.6本章小结

3阳极氧化铝基板的制备与性能研究

3.1阳极氧化铝基板的制备实验

3.1.1正交试验设计原理

3.1.2正交表选择和因素、水平的确定

3.2实验

3.2.1实验材料及试样尺寸

3.2.2实验装置

3.2.3检测方法

3.3阳极氧化铝基板性能分析

3.3.1正交试验结果

3.3.2热学性能分析

3.3.3电学性能分析

3.3.4力学性能分析

3.4本章小结

4阳极氧化铝基板在大功率LED系统上的应用及相关散热技术的研究

4.1阳极氧化铝基板与现有LED铝基板的性能比较

4.1.1 LED结温和失效概率

4.1.2样品制备

4.1.3两种铝基板的散热性能比较

4.2热管散热

4.2.1热管技术及其原理

4.2.2实验

4.3半导体制冷

4.3.1半导体制冷技术及其原理

4.3.2实验

4.4半导体制冷+热管

4.5两种散热方式的比较

4.6计算机模拟结果

4.7本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致 谢

参考文献

附 录