大功率LED 芯片直接固晶熱電制冷器主動散熱*

梁仁瓅，牟運，彭洋，胡濤，王新中

（1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)研究所，廣東深圳 518172；2.電子科技大學(xué)（深圳） 高等研究院，廣東深圳 518110；3.中山大學(xué)集成電路學(xué)院，廣東深圳 518107；4.華中科技大學(xué)航空航天學(xué)院，武漢 430074）

1 引言

發(fā)光二極管（LED）作為新一代的半導(dǎo)體固態(tài)發(fā)光器件，具有發(fā)光效率高、壽命長、節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)尺寸小等優(yōu)勢，已經(jīng)取代了白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明光源，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)照明、室外照明、投影顯示、汽車大燈、特種照明等領(lǐng)域[1-3]。隨著對照明亮度和光通量要求的不斷提升，LED 逐漸朝著高輸入功率密度和多芯片集成方向發(fā)展，以實現(xiàn)高亮度光輸出。但常用的LED 芯片存在電光轉(zhuǎn)換損耗（轉(zhuǎn)換效率不足60%），導(dǎo)致部分輸入電功率轉(zhuǎn)換為熱功率，且多芯片集成時LED 產(chǎn)生的熱量更多、更聚集，導(dǎo)致LED 結(jié)溫迅速升高，嚴重影響LED 器件的發(fā)光性能與長期可靠性[4-6]。因此，散熱問題成為大功率LED 封裝的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

目前，LED 的散熱方式主要分為被動散熱和主動散熱。被動散熱依賴封裝材料和結(jié)構(gòu)自身的熱傳導(dǎo)特性進行散熱，封裝材料包括導(dǎo)熱基板、鍵合材料、熱界面材料、翅片等，封裝結(jié)構(gòu)主要是芯片倒裝結(jié)構(gòu)、芯片垂直結(jié)構(gòu)和芯片正裝結(jié)構(gòu)。被動散熱的效果取決于封裝材料的熱導(dǎo)率、界面質(zhì)量等，被動散熱方式僅適用于小功率LED 封裝散熱。針對大功率LED 工作時產(chǎn)生的大量熱量和高工作溫度的問題，研究者開始采用主動散熱技術(shù)對大功率LED 進行有效熱管理，主動散熱技術(shù)包括風(fēng)扇、微流道、相變、熱管和熱電制冷等[7-10]。在這些方法中，熱電制冷器（TEC）具有制冷效率高、綠色環(huán)保、無噪音、可靠性高等優(yōu)勢，是理想的主動散熱方式[11-12]。但現(xiàn)有技術(shù)多采用有機黏合劑連接LED 模塊與TEC 模塊，低導(dǎo)熱、低耐熱的有機黏合劑會造成整體結(jié)構(gòu)可靠性低和使用壽命短等問題，且不利于實現(xiàn)小型化和集成化的封裝應(yīng)用[13-15]。由此可見，迫切需要引入高效的主動散熱技術(shù)來降低大功率LED 器件的工作溫度，提升其發(fā)光性能和長期可靠性，促進大功率LED 照明技術(shù)的發(fā)展。

本文采用一種大功率LED 芯片直接固晶熱電制冷器的主動散熱方法，利用TEC 的珀爾帖效應(yīng)有效增強了大功率LED 的熱耗散能力。采用高精度陶瓷基板和納米銀膏材料制備出高性能TEC，再將LED 芯片直接固晶于TEC 冷端陶瓷基板焊盤上，實現(xiàn)LED 芯片與TEC 的集成封裝，從而獲得LED-TEC 主動散熱模塊，并測試分析了LED-TEC 模塊的散熱效果以及大功率LED 的光熱性能。

2 實驗部分

2.1 LED-TEC 模塊制備

LED-TEC 模塊的制備工藝流程如圖1（a）所示。首先將自制納米銀膏均勻印刷在冷端和熱端陶瓷基板的金屬線路層上，隨后將P 型和N 型Bi2Te3熱電粒子（尺寸為1 mm×1 mm×2 mm）與冷端和熱端陶瓷基板的金屬線路層光學(xué)對準，再在真空焊接爐內(nèi)進行熱壓燒結(jié)，獲得高性能TEC 模塊，TEC 模塊如圖1（b）所示。燒結(jié)壓力和燒結(jié)時間分別為2 MPa 和30 min，燒結(jié)溫度在225～300 ℃。然后，在TEC 模塊的冷端陶瓷基板再次印刷自制納米銀膏，并將4 顆大功率藍光LED 芯片（LED 發(fā)光波長λ=450 nm，尺寸為1.5 mm×1.5 mm×0.5 mm）貼裝在納米銀膏表面，在250 ℃、2 MPa 條件下熱壓燒結(jié)10 min。最后采用金絲球焊線機打線，實現(xiàn)LED 芯片與冷端陶瓷基板的電連接，從而制備出LED-TEC 主動散熱模塊，LED-TEC 模塊如圖1（c）所示。對LED 芯片施加電流時，4 顆LED 芯片均發(fā)出藍光，表明LED-TEC 模塊電路連接正常，無短路等不良情況，圖1（d）為LED-TEC 模塊點亮圖。為了避免TEC 熱端累積過多的熱量和削弱TEC 的主動散熱能力，將TEC 熱端底部連接散熱器，以維持TEC 熱端較低的工作溫度。此外，為了排除TEC 模塊自身熱阻的影響，將LED 芯片用納米銀膏固晶在冷端陶瓷基板后，用導(dǎo)熱硅脂直接貼裝在散熱器表面，對比有無TEC 結(jié)構(gòu)對LED 工作性能的影響，無TEC 結(jié)構(gòu)的LED 模塊的制備工藝流程如圖1（e）所示。

圖1 LED-TEC 模塊的制備工藝流程及其實物和無TEC 結(jié)構(gòu)的LED 模塊制備工藝流程

2.2 性能表征

采用配備能譜儀（EDS）的掃描電子顯微鏡（SEM）觀察納米銀膏、燒結(jié)銀層和互連接頭斷裂面的微觀形貌。采用臺階儀和RTS-8 型四探針測試儀分別測試燒結(jié)銀層厚度和方塊電阻，從而計算出燒結(jié)銀層的電阻率。為了評估LED-TEC 模塊的主動散熱性能，采用光電分析系統(tǒng)測量大功率LED 芯片的輸出光功率。通過熱紅外成像儀采集LED 芯片和LED-TEC 模塊的冷端溫度，并通過熱電偶采集LED-TEC 模塊的熱端溫度，其中TEC 輸入電流和LED 芯片電流的范圍分別為0.5～3.0 A 和0.2～1.0 A，測試環(huán)境溫度約為24 ℃。

3 結(jié)果與討論

取少量納米銀懸浮液進行SEM 測試，測試結(jié)果如圖2（a）所示，納米銀顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，顆粒粒徑主要分布在70～150 nm，平均粒徑為96 nm。金屬層低電阻率有助于電熱快速傳輸，對器件散熱有著重要影響。為此，探究了燒結(jié)溫度對燒結(jié)銀層電阻率的影響，燒結(jié)銀電阻率如圖2（b）所示，可以看出燒結(jié)銀層的電阻率隨著燒結(jié)溫度的升高而逐漸降低。當(dāng)燒結(jié)溫度從200 ℃增加到300 ℃時，電阻率從25.6 μΩ·cm降低到2.31 μΩ·cm。此外，納米銀顆粒在200 ℃燒結(jié)后已出現(xiàn)明顯的生長現(xiàn)象，粒徑增加至數(shù)百納米，顆粒以燒結(jié)頸方式相連。當(dāng)燒結(jié)溫度增加至300 ℃時，燒結(jié)頸尺寸明顯增大，并形成連續(xù)性燒結(jié)脈絡(luò)，實現(xiàn)了納米銀顆粒的高效燒結(jié)。圖2（c）顯示了燒結(jié)溫度對互連接頭剪切強度的影響，增加燒結(jié)溫度有利于增強互連接頭的剪切強度。當(dāng)燒結(jié)溫度從200 ℃增加到275 ℃時，剪切強度從2.4 MPa 增加到9.6 MPa，當(dāng)燒結(jié)溫度進一步升高到300 ℃時，剪切強度略微降低到9.2 MPa，因此275 ℃為TEC 模塊的最佳燒結(jié)溫度。此外，對275 ℃燒結(jié)的互連接頭斷裂面形貌進行了分析，發(fā)現(xiàn)斷裂位置主要出現(xiàn)在Bi2Te3熱電粒子與Ni 層之間，未出現(xiàn)在燒結(jié)銀層互連界面，說明Bi2Te3熱電粒子與自身Ni 層結(jié)合強度較低，互連接頭斷裂面SEM 圖如圖2（d）所示。

圖2 納米銀膏及其燒結(jié)互連性能

LED-TEC 模塊橫截面微觀形貌和成分分析如圖3 所示。納米銀膏在275 ℃燒結(jié)后，與熱電粒子和上下陶瓷基板金屬層形成了良好的接觸，可清晰觀察到燒結(jié)頸和粗化燒結(jié)韌帶等，且互連界面無明顯開裂現(xiàn)象。整個燒結(jié)銀層由彼此互連的燒結(jié)脈絡(luò)和納米級孔隙組成，與燒結(jié)銀層表面微觀形貌類似。值得注意的是，Bi2Te3熱電粒子與自身Ni 層間出現(xiàn)了輕微裂縫，表明互連界面薄弱處為熱電粒子與Ni 層間，未出現(xiàn)在燒結(jié)銀層互連界面，這與圖2（d）的斷裂面位置一致。此外，互連界面檢測到Ni、Bi、Te、Ag 等主要元素，且Ni 層、燒結(jié)銀層和Bi2Te3熱電粒子之間具有清晰的界面，無元素擴散現(xiàn)象，表明燒結(jié)銀層與Bi2Te3熱電粒子和陶瓷基板之間形成了良好的互連界面，無界面分層和開裂情況。

圖3 LED-TEC 模塊橫截面微觀形貌和成分分析

圖4（a）為TEC 模塊的測試示意圖。將TEC 熱端基板正負極接入直流電源，設(shè)置電源電壓閾值為30 V，通過調(diào)節(jié)輸入電流來分析TEC 模塊的熱電制冷性能。測量TEC 內(nèi)阻時，將TEC 作為電阻元器件，采用直流電源輸入電流，并測試TEC 輸入端和輸出端的電壓差，根據(jù)歐姆定律計算TEC 內(nèi)阻。圖4（b）顯示了輸入電流與TEC 模塊電壓和內(nèi)阻的關(guān)系。TEC 模塊電壓與輸入電流近似呈線性關(guān)系，當(dāng)輸入電流增加到3 A時，TEC 模塊電壓增加到9.45 V，電阻值為3.15 Ω。此外，在不同輸入電流下，TEC 模塊的內(nèi)阻在2.80～3.15 Ω間緩慢變化，平均內(nèi)阻為3.02 Ω，說明TEC 在工作時內(nèi)阻相對穩(wěn)定。圖4（c）顯示了不同輸入電流下TEC模塊的冷端溫度和熱端溫度，當(dāng)輸入電流從0 A 增加到3 A 時，TEC 模塊的熱端溫度從20.5 ℃增加到80.4 ℃，而TEC 模塊的冷端溫度先從20.5 ℃下降到-22.2 ℃，再上升到7.4 ℃。此外，隨著輸入電流的增加，TEC 模塊的溫差先增加而后趨于平穩(wěn)，TEC 模塊的溫度差如圖4（d）所示。當(dāng)輸入電流為2.5 A 時，TEC溫差達到最大值，約為72.4 ℃。隨著輸入電流的進一步增大，TEC 模塊的溫差保持穩(wěn)定，無上升趨勢。這是由于TEC 模塊在大電流作用下會產(chǎn)生過多的焦耳熱，焦耳熱會削弱TEC 模塊的珀爾帖效應(yīng)，減弱TEC 的制冷能力；此外，在大電流作用下，TEC 模塊的熱端高溫會通過Bi2Te3熱電粒子傳遞到TEC 模塊冷端，從而在TEC 模塊冷端側(cè)表現(xiàn)出溫升現(xiàn)象，當(dāng)珀爾帖效應(yīng)與焦耳熱保持相對平衡時，TEC 溫差不再繼續(xù)增加，保持相對穩(wěn)定。從器件制冷散熱的角度出發(fā)，希望TEC冷端保持低溫環(huán)境，TEC 熱端溫度相對較低，從而避免引入新熱源，影響器件的散熱效果，因此，1.5 A 為TEC 模塊的最佳輸入電流，此時TEC 模塊冷端溫度最低，為-22.2 ℃，TEC 模塊溫差高達56.2 ℃。

圖4 TEC 模塊的熱電制冷性能

圖5（a）顯示了LED 芯片電流和TEC 工作狀態(tài)對LED-TEC 模塊工作溫度的影響，其中TEC 開啟時的輸入電流為1.5 A。從圖5（a）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TEC 開啟時，LED-TEC 模塊的工作溫度始終低于TEC 關(guān)閉時的工作溫度。TEC 關(guān)閉時，當(dāng)芯片電流從0 A 增加到1.0 A 時，LED-TEC 模塊的工作溫度從23.8 ℃升高到232 ℃；TEC 開啟時，LED-TEC 模塊的工作溫度先降低至4.8 ℃，再升高到123 ℃。相比于TEC 關(guān)閉和無TEC 結(jié)構(gòu)，在芯片電流為1.0 A 時，LED-TEC 模塊可將工作溫度分別從232 ℃和166 ℃降低到123 ℃，降溫幅度分別達到109 ℃和43 ℃，說明TEC 能有效降低LED 的工作溫度。此外，隨著芯片電流的增大，風(fēng)冷散熱器表面溫度緩慢上升，但始終低于50 ℃。圖5（b）顯示了LED 芯片電流和TEC 工作狀態(tài)對LED 輸出光功率的影響。LED 輸出光功率隨著芯片電流的增大而增加，但TEC 關(guān)閉和無TEC 結(jié)構(gòu)時的LED 輸出光功率明顯低于TEC 開啟時的LED 輸出光功率。當(dāng)芯片電流從0.2 A 增加到1.0 A 時，TEC 關(guān)閉時LED 輸出光功率從392 mW 增加到1 087 mW，無TEC 結(jié)構(gòu)時LED 輸出光功率從402 mW 增加到1 308 mW，TEC 開啟時LED 輸出光功率則從426 mW 增加1 479 mW。相比于TEC 關(guān)閉和無TEC 結(jié)構(gòu)，在芯片電流為1.0 A 時，LED-TEC 模塊可將LED 輸出光功率分別從1 087 mW 和1 308 mW 提升到1 479 mW，光功率提升幅度分別達到36.1%和13.1%。圖5（c）（d）分別表示TEC 開啟和關(guān)閉時LED-TEC 模塊的紅外熱像圖，其中LED 芯片電流為0.8 A。可以發(fā)現(xiàn)，LED-TEC模塊的熱點均出現(xiàn)在LED 芯片表面，TEC 開啟時LED 工作溫度為77 ℃，遠低于TEC 關(guān)閉時LED 的工作溫度（183 ℃）。以上結(jié)果表明，LED-TEC 模塊為大功率LED 主動散熱提供了一種簡便、高效的方法。

圖5 LED-TEC 模塊主動散熱和光熱性能

4 結(jié)論

本文針對大功率LED 的散熱需求，研究了大功率LED 芯片直接固晶熱電制冷器主動散熱方法。首先利用高精度陶瓷基板和納米銀膏材料制備出高性能TEC，其中燒結(jié)銀層與熱電粒子和陶瓷基板間形成了良好的互連界面，無界面分層和開裂；當(dāng)TEC 輸入電流逐漸升高時，TEC 模塊的冷端溫度最低可達-22.2 ℃。隨后將LED 芯片直接固晶于TEC 冷端陶瓷基板焊盤上，實現(xiàn)LED 芯片與TEC 的集成封裝，制備出LED-TEC 主動散熱模塊。在芯片電流為1.0 A 時，由于TEC 的珀爾帖效應(yīng)，LED-TEC 模塊可將LED 芯片的工作溫度從232 ℃降低到123 ℃，降溫幅度高達109 ℃，且可將LED 的輸出光功率從1 087 mW 提升到1 479 mW，光功率提升幅度高達36.1%。實驗結(jié)果表明，大功率LED 芯片直接固晶熱電制冷器是一種簡單、高效的主動散熱方法，有助于提高大功率LED 的發(fā)光性能和長期可靠性，推動半導(dǎo)體照明技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)發(fā)展。