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大功率LED封装为什么用金刚石热沉片?

发表时间:2022-05-18 14:51作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

发光二极管(LED)与传统的白炽灯相比具有驱动电压低、节能、高稳定度、响应时间短、不含有害的金属汞等优点。美国等国家对LED照明效益进行了预测,美国55%白炽灯及55%的日光灯将被LED取代‚每年可节省350亿美元电费,减少7.55亿吨二氧化碳排放量。


然而LED的的发光功率较低,通常每组信号灯需由300~500只二极管构成,如果能低成本制备出高功率的LED将更有利于LED 的广泛使用。据称高功率点光源LED的温度极限在120℃,如果有能力控制其温度在120℃以下,那么产品寿命可达到 60000h。可以看到提高LED的散热能力是提高LED工作功率的关键。用什么材料能提高LED的散热能力呢?我们知道金刚石具有在室温下最高的热导率2200W/m.k且是良好的绝缘体,因此金刚石膜自然成为LED理想的散热材料。


金刚石薄膜的散热性能通过测量集成在其表面的LED的工作温度来进行衡量:将沉积有金刚石薄膜的Si片表面直接用来封装LED发热单元,然后进行测试,测试方法为给LED器件施加相同的电耗功率,然后记录不同时间LED器件表面的温度(A系列有金刚石膜散热层,B系列没有),以衡量金刚石膜散热层的散热效果。如果没有散热层,直接将LED 封装在Si表面,温升比有散热的层速度快很多,测试结果见表2。


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从散热面来看,在Si表面添加金刚石薄膜散热层后可以有效地提高 LED 的散热效果,其原因是如果没有金刚石薄膜作为散热层(见图a中的箭头是热量流动方向及大小的示意图), LED 的散热是通过其自身将热量传递到散热能力较差的介质如封装导热胶及硅基底,属于“点散热”;而施加了金刚石薄膜作为散热层之后,利用金刚石膜的高热导率,可以将 LED 的热量迅速扩散进入整个金刚石膜中(见图b),然后通过整个金刚石膜进行热扩散到与之接触的介质当中,这样的散热属于“面散热”,可以大幅度提高散热效果。因此,由于金刚石膜的存在,将工作中的LED器件的点散热变成金刚石膜的面散热,因此提高了散热效率,从而降低了LED的工作温度。


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(a)没有金刚石散热层的为"点散热";

(b)有金刚石散热层的为"面散热"的效果示意图

金刚石膜是大功率LED散热的绝佳材料,化合积电多年专注于高质量金刚石的生产与制备,采用最先进的 MPCVD 装置,制备大面积高品质金刚石膜,具有高厚度均匀性和高生长速率。核心产品有晶圆级金刚石热沉片、金刚石基氮化镓外延片、氮化铝薄膜和压电材料等。采用金刚石热沉片的大功率器件已经用于LED发光二极管,在光通信、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。


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