BN&Al2O3/環氧樹脂復合材料粘接層對LED燈結溫的影響

呂亞南,李巧梅,牟其伍*,文翰穎,朱 玲,壽夢杰

(1.重慶大學物理學院,重慶 400044; 2.重慶大學材料科學與工程學院,重慶 400044)

BN&Al2O3/環氧樹脂復合材料粘接層對LED燈結溫的影響

呂亞南1,李巧梅1,牟其伍1*,文翰穎2,朱 玲2,壽夢杰2

(1.重慶大學物理學院,重慶 400044; 2.重慶大學材料科學與工程學院,重慶 400044)

自制BN/EP(環氧樹脂)復合材料和Al2O3/EP復合材料作為LED燈PCB板和散熱鋁塊之間的粘接層材料,采用精密鉆孔的方法用高精度測溫儀測量LED燈正常工作時的溫度分布,討論粘接層對結溫的影響,并與COMSOLMultiphysics軟件模擬結果進行對比分析。實驗測量LED結溫與模擬結溫變化趨勢基本一致,結溫會隨著粘接層厚度的增加而上升、隨著粘接層復合材料熱導率的增加先快速降低而后趨于平緩。最終得到PCB板和散熱鋁塊間最佳粘接層厚度和粘接層復合材料配比,當BN的質量分數為60%時,BN/EP復合材料粘接層的熱導率最高,此時LED結溫為75.2℃,比純環氧樹脂粘接層LED的結溫降低了27.6℃。而Al2O3/EP復合材料粘接層LED的最低結溫為78.2℃,此時Al2O3的質量分數為50%。

粘接層;結溫;熱導率;環氧樹脂復合材料;溫度分布

1 引 言

近年來,發光二極管(Light-emitting diode, LED)的應用已從單純的信號指示向通用照明領域迅速普及[1-3]。隨著應用領域的不斷擴大,大功率LED的散熱成為一個突出的問題[4],尤其是結溫(芯片溫度)的高低以及散熱已成為制約LED發展的關鍵因素[5-7]。因此,測量LED結溫及溫度分布和如何降低結溫對LED的廣泛應用具有深遠意義。

亮度衰減70%時,LED的結溫每升高10℃,其壽命下降約50%[8]。在LED使用過程中,約70%的故障來自于結溫過高[8-9]。因此,快速準確地測量LED正常工作時的結溫和溫度分布[10-11]可以幫助準確分析封裝結構中各部分材料的散熱性能及其分別對結溫的影響,以便于更準確地選擇和制備散熱性能良好的封裝材料[12],為設計和制作具有良好散熱性能的大功率LED提供科學依據。

2 實 驗

2.1 粘接層材料制備

本文用雙酚A環氧樹脂作為基體來制備粘接層材料,它具有優良的力學特性[13]和電絕緣性[14]等,但卻是熱的不良導體[15],因此本實驗選用導熱系數較高的氮化硼[16]、氧化鋁[17]微粉作為填充劑來制備粘接層復合材料。首先對粉末進行表面處理:將粉末置于200℃烘箱內干燥2 h,然后按照乙醇/去離子水的體積比為9∶1的比例配制醇水溶液,將干燥過的粉末加入配制好的醇水溶液中,再加入偶聯劑KH-550,偶聯劑與粉末的質量比為1∶50,并加入冰乙酸(分析純AR)調節溶液pH值至5來控制反應速率。然后,將溶液密封在30℃下攪拌3 h,靜置待粉末完全沉底取出粉末,用乙醇溶液清洗3～5次烘干備用。將固化劑與環氧樹脂以1∶1的比例混合并加入處理好的粉末,再分別加入環氧樹脂質量分數1%與5%的消泡劑和增塑劑均勻攪拌,然后真空脫泡固化成型,即制得BN/EP復合材料和Al2O3/EP復合材料,制備流程如圖1所示。

圖1 復合材料制備流程圖Fig.1 Flow chart of preparing epoxy resin composites

2.2 粘接層材料熱導率測量

本文采用穩態法通過多功能導熱系數測試儀[18]測量復合材料的熱導率,如圖2所示。樣品制成平板狀,其下表面與一穩定的均勻加熱銅盤A充分接觸,上表面與一均勻散熱銅盤C相接觸。由于樣品側面積遠遠小于表面積,故可認為樣品在同一平面內各處溫度相同,只有在垂直樣品的方向上才有溫度梯度。設穩態時,樣品上下表面溫度分別為θ1和θ2,根據傅里葉熱傳導方程可知,在Δt時間內通過樣品的熱量ΔQ滿足:

式中k為樣品熱導率,hB為樣品厚度,S為樣品的平面面積。實驗中樣品呈圓盤狀,設樣品直徑為d,則式(1)可表示為:

當傳熱達到穩定時,樣品上下表面溫度θ1和θ2不會再變化,此時可認為加熱盤A通過樣品傳導的熱量與散熱盤C向周圍散出的熱量相等。據此計算出穩定時散熱盤C的散熱速率,代入式(2)即可求出樣品熱導率。

圖2 多功能導熱系數測試儀測量復合材料熱導率示意圖Fig.2 Schematic ofmeasuring the thermal conductivity of composites bymulti function thermal conductivity tester

2.3 模型設計與制作

建立如圖3所示的LED燈模型。模型包括透鏡、密封劑、熒光粉、芯片、芯片襯底、內部熱沉、絕緣層、導線、陶瓷封裝、電路板、粘接層和外部熱沉。將PCB電路板粘接到一個散熱鋁塊(外部熱沉)上擴大LED的散熱面積,加快LED燈的散熱速率。

圖3 LED模型示意圖Fig.3 Model of LED

2.3.1 COMSOL仿真模擬

在整個模擬過程中,環境溫度為25℃保持不變,且以環境溫度作為模擬的初始溫度。假設LED芯片為一均勻熱源,運用COMSOL熱傳導理論進行模擬。模擬過程中自制粘接層復合材料導熱系數和厚度連續變化,程序運算得到不同粘接層材料LED的結溫和溫度分布。模擬過程中LED封裝結構中各部分材料的主要參數如表1所示。

表1 LED模型中各部分材料的幾何性能和熱性能Table 1 Geometric dimensions and material properties of LED components

2.3.2 實驗模型的制作

圖4為LED模型制備及測溫流程圖:(1)把一個1 W大功率白光LED燈珠用導熱系數為1.224W/(m·K)的導熱硅膠(HC910)粘接到尺寸大小為20 mm×20 mm的PCB電路板上。(2) PCB電路板通過粘接層(環氧樹脂復合材料)固定在大小為20 mm×20 mm×11 mm的散熱鋁塊(外部熱沉)上。(3)將導線連到引線架上焊接至電路板。(4)鉆孔:從LED外部熱沉底部中央鉆一個小孔到芯片,小孔的直徑為0.1～0.3 mm左右,保證測溫探頭恰好可以插入小孔內。小孔上端十分靠近LED芯片(距芯片約10～20μm)。通過小孔,將測溫探頭分別插到模型的不同位置,用數字溫度計(VICTOR DM6801A)記錄溫度。

圖4 LED模型制備及測溫流程圖Fig.4 Flow chart of the preparation of LED model and the measurement of temperature

3 結果與討論

3.1 粘接層對結溫的影響

本文中所研究的粘接層的作用主要是將PCB電路板固定在外部熱沉上,并保證良好的熱傳導。設粘接層的橫截面積為S,熱導率為k,厚度為h,則粘接層熱阻可以表示為:

從式(3)可以看出粘接層橫截面積一定時,粘接層的厚度和粘接材料的熱導率對粘接層熱阻的大小起著決定性的作用。因此選擇合適的粘接層厚度和粘接材料可以提高LED的散熱性能進而降低結溫。

3.1.1 粘接層厚度

將制得的復合材料用作LED燈PCB板和散熱鋁塊之間的粘接層,得到粘接層復合材料厚度與結溫的關系,如圖5所示。本文測量了粘接層厚度從0.1 mm到0.5 mm的BN/EP復合材料和Al2O3/EP復合材料的LED燈的結溫。從圖中可以看出功率為1,2,3 W的LED燈的結溫均隨著粘接層厚度的增加而不同程度地上升,粘接層越薄則結溫越低。然而粘接層還必須具有較好的粘接性能,在不影響散熱的基礎上還要保證粘接材料不脫落[19]。因此,綜合考慮粘接層厚度與粘接強度和結溫的關系,本文選取0.1 mm為綜合性能最佳的粘接層厚度,此時60%BN/EP復合材料粘接層的1,2,3 W LED燈的實驗測量結溫分別為75.2,118.4,154.0℃,模擬結溫分別為74.5,117.2,151.4℃;50%Al2O3/EP復合材料粘接層的1,2,3 W LED燈的實驗測量結溫分別為77.2,121.2,157.0℃,模擬結溫分別為76.7, 120.3,154.4℃。

圖5 粘接層厚度與結溫的關系。(a)BN/EP復合材料; (b)Al2O3/EP復合材料。Fig.5 Relationship between thickness of adhesive materials and junction temperatures.(a)BN/EP composites. (b)Al2O3/EP composites.

3.1.2 粘接層復合材料熱導率

粘接層復合材料熱導率與導熱微粉添加量之間的關系如圖6所示,隨著BN質量分數的增加,熱導率先緩慢增加,在20%之后快速增加。當BN質量分數為60%時,BN/EP復合材料熱導率達到最大值1.577 W/(m·K),是純環氧樹脂的7.9倍。這是由于在填料含量較少時,導熱微粒孤立地分散在環氧樹脂中,彼此之間沒有相互接觸,對熱導率的提高貢獻不大。隨著填料含量的增加,導熱微粒開始相互接觸,在復合材料中形成網狀導熱通道,熱量可以隨著這些熱阻較小的通道快速地傳輸出去,熱導率隨之快速增加。BN質量分數超過60%后,熱導率開始下降。這是由于BN微粉含量過多,不能良好地分散在環氧樹脂中,顆粒堆積發生團聚現象,熱量聚集不能很好地傳輸出去導致熱導率下降。Al2O3含量較低時,Al2O3/EP復合材料與BN/EP復合材料熱導率相差不大,隨著填料含量增加,熱導率也迅速隨之增加。當加入的Al2O3質量分數為50%時, Al2O3/EP復合材料熱導率達到最大值0.892 W/ (m·K),是純環氧的4.5倍。超過這一含量,熱導率開始下降。由于Al2O3微粉的熱導率低于BN微粉等因素,因此與BN相比,在同等填料含量下, Al2O3填充環氧樹脂復合材料的導熱性能稍差。

圖6 復合材料熱導率與導熱微粉添加量的關系Fig.6 Relationship between thermal conductivity of composites and the content of powder

此外,對導熱微粉進行表面處理可增加微粒表面活性[20],使其能更好地分散在環氧樹脂中。如圖7所示,(a)、(b)和(c)、(d)分別為60%和50%未經過表面處理和經過表面處理的BN/EP復合材料和Al2O3/EP復合材料的SEM(TESCAN MIRA 3)圖片。從圖中可以看出,經過表面處理的粉末分散性更好。且圖7(a)中未經表面處理的BN/EP復合材料中存在很多空洞和裂縫,而圖7(b)表面處理過的BN空洞和裂縫較少,BN顆粒彼此之間緊密接觸,有效地促進了聲子在復合材料中的傳播,有利于提高復合材料的熱導率[21]。

圖7 60%BN/EP復合材料未經表面處理(a)和經過表面處理(b)的SEM圖,以及50%Al2O3/EP復合材料未經表面處理(c)和經過表面處理(d)的SEM圖。Fig.7 SEM images of 60%BN/EP composites untreated (a)and treated(b),and SEM images of 50% Al2O3/EP composites untreated(c)and treated (d),respectively.

圖8 粘接層材料熱導率對結溫的影響Fig.8 Effectof thermal conductivity of adhesivematerials on junction temperature

將以上制得的不同熱導率的復合材料用作LED燈PCB板與散熱鋁塊之間的粘接層,保持其他條件不變,得到結溫與粘接層材料熱導率的關系,如圖8所示。從圖中可以看出,1 W的LED燈結溫隨著粘接材料熱導率的增大先快速降低而后趨于平緩。這是由于粘接層熱阻與熱導率成反比關系,熱導率升高,粘接層熱阻快速降低,LED芯片聚集的熱量迅速散發出去,結溫快速降低,當熱導率繼續增加,粘接層熱阻變化不大,LED芯片結溫隨之趨于平緩。2 W和3 W LED燈的結溫也呈現出相同的變化趨勢,但結溫下降速度明顯比1 W LED燈快。粘接層復合材料的熱導率越大,LED的結溫越低。BN/EP復合材料粘接層和Al2O3/EP復合材料粘接層在LED燈功率為1W時,實驗測量結溫與模擬結溫比較吻合;2W和3 W時的實驗測量結溫普遍高于模擬結溫,且3 W時的實驗測量結溫與模擬結溫偏差較大。

3.2 LED溫度分布

圖9 1W LED溫度場分布。(a)60%BN/EP復合材料實驗測量;(b)60%BN/EP復合材料COMSOL模擬;(c)50% Al2O3/EP復合材料實驗測量;(d)50%Al2O3/EP復合材料COMSOL模擬。Fig.9 Temperature distribution of1W LED.(a)Experimentalmeasurement for 60%BN/EP composites.(b)COMSOL simulation for 60%BN/EP composites.(c)Experimentalmeasurement for 50%Al2O3/EP composites.(d)COMSOL simulation for 50%Al2O3/EP composites.

圖10 60%BN/EP復合材料粘接層2W LED溫度分布的實驗測量(a)和COMSOL模擬(b);60%BN/EP復合材料粘接層3 W LED溫度場分布的實驗測量(c)和COMSOL模擬(d);純環氧樹脂粘接層1 W LED溫度分布的實驗測量(e)和COMSOL模擬(f)。Fig.10 Experimentalmeasurement(a)and COMSOL simulation(b)of the temperature distribution of 2 W LED with 60% BN/EP composites adhesive layer,experimentalmeasurement(c)and COMSOL simulation(d)of the temperature distribution of 3W LED with 60%BN/EP composites adhesive layer,and experimentalmeasurement(e)and COMSOL simulation(f)of the temperature distribution of1W LED with epoxy resin adhesive layer,respectively.

當厚度為0.1 mm的60%BN/EP復合材料作為粘接層材料時,1 W LED燈的實驗測量溫度分布和COMSOL模擬溫度分布如圖9(a)和(b)所示。從圖中可以看出,芯片產生的熱量通過內部熱沉、PCB電路板和外部熱沉傳遞到外面,芯片溫度最高,為75.2℃;而溫度最低點出現在外部熱沉邊緣,為57.6℃。另外,實際測量結溫為75.2℃,而COMSOL模擬結溫為74.56℃,實驗測量得到的結溫比模擬結溫略高,但測量得到的溫度分布趨勢與模擬溫度分布趨勢基本吻合。當50%Al2O3/EP復合材料為粘接材料時,1 W LED燈的實驗測量溫度分布與COMSOL模擬溫度分布如圖9(c)和(d)所示,其溫度分布趨勢與BN/ EP復合材料粘接層相似,但結溫略高,其實驗測量結溫和模擬結溫分別為78.2℃和77.14℃。

此外,我們還測量了BN/EP復合材料粘接層2 W、3 W LED燈和純環氧樹脂粘接層1 W LED燈的溫度分布,如圖10所示。它們的溫度分布均與1 W BN/EP復合材料粘接層LED類似,最高溫度點出現在中央芯片上,而最低溫度點在外部熱沉上,芯片產生的熱量向下傳遞,通過外部熱沉散出。且實驗測量值與COMSOL模擬值相差不大。純環氧樹脂作為粘接層時其實驗測量LED燈的結溫為102.8℃,高于Al2O3/EP復合材料粘接層,更高于BN/EP復合材料粘接層。再次證明了LED燈的結溫與粘接層復合材料熱導率有關,粘接層復合材料熱導率越大,LED結溫越低。

4 結 論

隨著PCB板與散熱鋁塊間粘接層厚度的增加,LED燈的結溫一直升高,但是粘接層過薄會導致粘接強度降低,容易出現裂紋影響LED燈的壽命。實驗結果表明最佳粘接層厚度為0.1 mm,此時功率為1W的BN/EP復合材料粘接層LED燈的結溫為76.6℃,功率為1 W的Al2O3/EP復合材料粘接層LED燈結溫為78.2℃。BN和Al2O3導熱微粒的加入大大提高了粘接層復合材料的熱導率,當加入的BN的質量分數為60%時, BN/EP復合材料粘接層的熱導率達到最高值1.577W/(m·K),是純環氧樹脂的7.9倍,此時LED燈的結溫比純環氧樹脂粘接層降低了27.6℃;當加入Al2O3的質量分數為50%時, Al2O3/EP復合材料粘接層熱導率最高達到0.892 W/(m·K),是純環氧樹脂的4.5倍,此時LED燈的結溫比純環氧樹脂粘接層降低了24.6℃。

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Effects of BN&Al2O3/Epoxy Com posites Adhesive Layer on Junction Tem perature of LED

LYU Ya-nan1,LIQiao-mei1,MU Qi-wu1*,WEN Han-ying2,ZHU Ling2,SHOU Meng-jie1

(1.Department of Physics,Chongqing University,Chongqing 400044,China; 2.College ofMaterials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)
*Corresponding Author,E-mail:qwmcqu@163.com

Homemade BN/EP composites and Al2O3/EP compositeswere used as the adhesive layer between PCB and the heat sink of LED,respectively.The temperature distribution of LED working in the normal condition was measured by high-precision thermometers through a small hole.The effect of the adhesive layer composites on the junction temperature of LED was discussed,and was compared with the results from COMSOL simulations.A similar variation trend of junction temperature of LED was observed in both our experimentand COMSOL simulation.The junction temperature of LED raised with the increment of thickness of the adhesive layer.Besides,along with the increment of thermal conductivity of the adhesive layer composites,the junction temperature declined sharply at first,and then gradually decreased to a flat level.At last,we obtained two optimum values of the thickness and the ratio of adhesive layer compositeswith the best performance.When the mass fraction of BN is 60%,the thermal conductivity of BN/EP composites reaches at the highest level.In this condition,the junction temperature of LED is the lowest(75.2℃)and is 27.6℃lower than that of using pure epoxy resin.In addition,the minimum junction temperature of the Al2O3/EP composites is 78.2℃when themass fraction of Al2O3is 50%.

adhesive layer;junction temperature;thermal conductivity;epoxy composites;temperature distribution

呂亞南(1990-),女,河南平頂山人,碩士研究生,2014年于信陽師范學院獲得學士學位,主要從事大功率LED散熱及封裝材料的研究。E-mail:1518503285@qq.com

牟其伍(1955-),男,重慶萬州人,教授,1982年于四川大學獲得碩士學位,主要從事電子電器和大功率LED的封裝及相關材料的研究。E-mail:qwmcqu@163.com

TN312.8

A

10.3788/fgxb20153612.1469

1000-7032(2015)12-1469-08

2015-08-30;

2015-09-23

重慶市國際科技合作項目(cstc2012gg-gjhz50001);重慶大學教學改革研究項目(2014Y31);國家級大學生創新訓練項目(201510611027)資助