目前LED 光電轉(zhuǎn)換效率較低, 70%甚至更高的電能要轉(zhuǎn)換成熱量。分析LED 器件結(jié)構(gòu)和材料組成, 發(fā)現(xiàn)由于LED 封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料的影響,芯片側(cè)表面和上表面的散熱能力極差。因此, LED產(chǎn)生的熱量絕大部分是通過熱傳導(dǎo)的方式傳到芯片底部的熱沉, 再以熱對(duì)流的方式耗散掉。正裝芯片與倒裝芯片的散熱結(jié)構(gòu)都有一個(gè)粘結(jié)層,從表1 中可以明顯看出, 在所有傳熱結(jié)構(gòu)中粘結(jié)劑的導(dǎo)熱系數(shù)最小, 所以粘結(jié)層對(duì)芯片、器件的散熱影響最為嚴(yán)重。

表1 封裝材料導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱膠

環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅作為聚合物本身散熱性能較差, 導(dǎo)熱膠是在基體內(nèi)部加入一些高導(dǎo)熱系數(shù)的填料, 如SiC、AlN、Al2O3 、SiO2等, 從而提高其導(dǎo)熱能力。導(dǎo)熱膠的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉, 具有絕緣性能,工藝簡(jiǎn)單, 控制也沒有銀漿那么嚴(yán)格, 但導(dǎo)熱性普遍較差。

導(dǎo)電銀漿

導(dǎo)電銀漿是將銀粉加入環(huán)氧樹脂中形成的一種復(fù)合材料, 粘貼的硬化溫度一般低于200 ℃, 具有良好的導(dǎo)熱特性、粘結(jié)性能可靠等優(yōu)點(diǎn), 但銀漿對(duì)光的吸收比較大, 導(dǎo)致光效下降。同樣條件下, 銀漿與導(dǎo)熱膠相比, 初始光通量會(huì)相差較多。小功率LED 芯片發(fā)熱量少, 所以通過導(dǎo)電銀漿作為粘結(jié)層完全可以滿足散熱性好、壽命長(zhǎng)及可靠性高的要求。 

合金焊料

大功率LED 芯片由于發(fā)熱較多, 所以對(duì)粘結(jié)劑的要求更為嚴(yán)格。一般粘結(jié)劑如導(dǎo)熱膠、導(dǎo)電銀漿都無法滿足要求, 只能考慮硬釬料, 最為常用的釬料有三種: Au-Sn、Au-Ge和Au-Si 。LED 對(duì)高溫比較敏感, 共晶鍵合溫度分別為361 ℃、363℃的Au-Ge 、Au-Si不合適, 而Au-Sn的共晶溫度只有280 ℃, 完全適合做大功率LED 芯片的粘結(jié)材料。為克服傳統(tǒng)工藝鍵合層產(chǎn)生的大量空洞, 將Si 芯片Au-Sn共晶鍵合實(shí)驗(yàn)工藝在LED上實(shí)現(xiàn)( 見圖1) 。

圖1 Si芯片鍵合

首先將W 、Ti 、Cr 以及Au-Sn等相關(guān)金屬層鍍?cè)?/span>Al 基板上, 在430 ℃下通過回流焊使基板上的金屬成為均勻的Au80Sn20合金組織, 然后再在320 ℃條件下通過共晶焊將芯片鍵合到Al 基板的Au-Sn合金層上。對(duì)鍵合器件進(jìn)行破壞實(shí)驗(yàn)得知, 芯片先于鍵合層斷裂, 從而在大功率LED的鍵合上可以在滿足散熱(Au2Sn 熱導(dǎo)率57 W/mK) 的基礎(chǔ)上滿足鍵合強(qiáng)度的要求。