BN&Al2O3/环氧树脂复合材料粘接层对LED灯结温的影响

吕亚南,李巧梅,牟其伍*,文翰颖,朱 玲,寿梦杰

(1.重庆大学物理学院,重庆 400044; 2.重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400044)

BN&Al2O3/环氧树脂复合材料粘接层对LED灯结温的影响

吕亚南1,李巧梅1,牟其伍1*,文翰颖2,朱 玲2,寿梦杰2

(1.重庆大学物理学院,重庆 400044; 2.重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400044)

自制BN/EP(环氧树脂)复合材料和Al2O3/EP复合材料作为LED灯PCB板和散热铝块之间的粘接层材料,采用精密钻孔的方法用高精度测温仪测量LED灯正常工作时的温度分布,讨论粘接层对结温的影响,并与COMSOLMultiphysics软件模拟结果进行对比分析。实验测量LED结温与模拟结温变化趋势基本一致,结温会随着粘接层厚度的增加而上升、随着粘接层复合材料热导率的增加先快速降低而后趋于平缓。最终得到PCB板和散热铝块间最佳粘接层厚度和粘接层复合材料配比,当BN的质量分数为60%时,BN/EP复合材料粘接层的热导率最高,此时LED结温为75.2℃,比纯环氧树脂粘接层LED的结温降低了27.6℃。而Al2O3/EP复合材料粘接层LED的最低结温为78.2℃,此时Al2O3的质量分数为50%。

粘接层;结温;热导率;环氧树脂复合材料;温度分布

1 引 言

近年来,发光二极管(Light-emitting diode, LED)的应用已从单纯的信号指示向通用照明领域迅速普及[1-3]。随着应用领域的不断扩大,大功率LED的散热成为一个突出的问题[4],尤其是结温(芯片温度)的高低以及散热已成为制约LED发展的关键因素[5-7]。因此,测量LED结温及温度分布和如何降低结温对LED的广泛应用具有深远意义。

亮度衰减70%时,LED的结温每升高10℃,其寿命下降约50%[8]。在LED使用过程中,约70%的故障来自于结温过高[8-9]。因此,快速准确地测量LED正常工作时的结温和温度分布[10-11]可以帮助准确分析封装结构中各部分材料的散热性能及其分别对结温的影响,以便于更准确地选择和制备散热性能良好的封装材料[12],为设计和制作具有良好散热性能的大功率LED提供科学依据。

2 实 验

2.1 粘接层材料制备

本文用双酚A环氧树脂作为基体来制备粘接层材料,它具有优良的力学特性[13]和电绝缘性[14]等,但却是热的不良导体[15],因此本实验选用导热系数较高的氮化硼[16]、氧化铝[17]微粉作为填充剂来制备粘接层复合材料。首先对粉末进行表面处理:将粉末置于200℃烘箱内干燥2 h,然后按照乙醇/去离子水的体积比为9∶1的比例配制醇水溶液,将干燥过的粉末加入配制好的醇水溶液中,再加入偶联剂KH-550,偶联剂与粉末的质量比为1∶50,并加入冰乙酸(分析纯AR)调节溶液pH值至5来控制反应速率。然后,将溶液密封在30℃下搅拌3 h,静置待粉末完全沉底取出粉末,用乙醇溶液清洗3～5次烘干备用。将固化剂与环氧树脂以1∶1的比例混合并加入处理好的粉末,再分别加入环氧树脂质量分数1%与5%的消泡剂和增塑剂均匀搅拌,然后真空脱泡固化成型,即制得BN/EP复合材料和Al2O3/EP复合材料,制备流程如图1所示。

图1 复合材料制备流程图Fig.1 Flow chart of preparing epoxy resin composites

2.2 粘接层材料热导率测量

本文采用稳态法通过多功能导热系数测试仪[18]测量复合材料的热导率,如图2所示。样品制成平板状,其下表面与一稳定的均匀加热铜盘A充分接触,上表面与一均匀散热铜盘C相接触。由于样品侧面积远远小于表面积,故可认为样品在同一平面内各处温度相同,只有在垂直样品的方向上才有温度梯度。设稳态时,样品上下表面温度分别为θ1和θ2,根据傅里叶热传导方程可知,在Δt时间内通过样品的热量ΔQ满足:

式中k为样品热导率,hB为样品厚度,S为样品的平面面积。实验中样品呈圆盘状,设样品直径为d,则式(1)可表示为:

当传热达到稳定时,样品上下表面温度θ1和θ2不会再变化,此时可认为加热盘A通过样品传导的热量与散热盘C向周围散出的热量相等。据此计算出稳定时散热盘C的散热速率,代入式(2)即可求出样品热导率。

图2 多功能导热系数测试仪测量复合材料热导率示意图Fig.2 Schematic ofmeasuring the thermal conductivity of composites bymulti function thermal conductivity tester

2.3 模型设计与制作

建立如图3所示的LED灯模型。模型包括透镜、密封剂、荧光粉、芯片、芯片衬底、内部热沉、绝缘层、导线、陶瓷封装、电路板、粘接层和外部热沉。将PCB电路板粘接到一个散热铝块(外部热沉)上扩大LED的散热面积,加快LED灯的散热速率。

图3 LED模型示意图Fig.3 Model of LED

2.3.1 COMSOL仿真模拟

在整个模拟过程中,环境温度为25℃保持不变,且以环境温度作为模拟的初始温度。假设LED芯片为一均匀热源,运用COMSOL热传导理论进行模拟。模拟过程中自制粘接层复合材料导热系数和厚度连续变化,程序运算得到不同粘接层材料LED的结温和温度分布。模拟过程中LED封装结构中各部分材料的主要参数如表1所示。

表1 LED模型中各部分材料的几何性能和热性能Table 1 Geometric dimensions and material properties of LED components

2.3.2 实验模型的制作

图4为LED模型制备及测温流程图:(1)把一个1 W大功率白光LED灯珠用导热系数为1.224W/(m·K)的导热硅胶(HC910)粘接到尺寸大小为20 mm×20 mm的PCB电路板上。(2) PCB电路板通过粘接层(环氧树脂复合材料)固定在大小为20 mm×20 mm×11 mm的散热铝块(外部热沉)上。(3)将导线连到引线架上焊接至电路板。(4)钻孔:从LED外部热沉底部中央钻一个小孔到芯片,小孔的直径为0.1～0.3 mm左右,保证测温探头恰好可以插入小孔内。小孔上端十分靠近LED芯片(距芯片约10～20μm)。通过小孔,将测温探头分别插到模型的不同位置,用数字温度计(VICTOR DM6801A)记录温度。

图4 LED模型制备及测温流程图Fig.4 Flow chart of the preparation of LED model and the measurement of temperature

3 结果与讨论

3.1 粘接层对结温的影响

本文中所研究的粘接层的作用主要是将PCB电路板固定在外部热沉上,并保证良好的热传导。设粘接层的横截面积为S,热导率为k,厚度为h,则粘接层热阻可以表示为:

从式(3)可以看出粘接层横截面积一定时,粘接层的厚度和粘接材料的热导率对粘接层热阻的大小起着决定性的作用。因此选择合适的粘接层厚度和粘接材料可以提高LED的散热性能进而降低结温。

3.1.1 粘接层厚度

将制得的复合材料用作LED灯PCB板和散热铝块之间的粘接层,得到粘接层复合材料厚度与结温的关系,如图5所示。本文测量了粘接层厚度从0.1 mm到0.5 mm的BN/EP复合材料和Al2O3/EP复合材料的LED灯的结温。从图中可以看出功率为1,2,3 W的LED灯的结温均随着粘接层厚度的增加而不同程度地上升,粘接层越薄则结温越低。然而粘接层还必须具有较好的粘接性能,在不影响散热的基础上还要保证粘接材料不脱落[19]。因此,综合考虑粘接层厚度与粘接强度和结温的关系,本文选取0.1 mm为综合性能最佳的粘接层厚度,此时60%BN/EP复合材料粘接层的1,2,3 W LED灯的实验测量结温分别为75.2,118.4,154.0℃,模拟结温分别为74.5,117.2,151.4℃;50%Al2O3/EP复合材料粘接层的1,2,3 W LED灯的实验测量结温分别为77.2,121.2,157.0℃,模拟结温分别为76.7, 120.3,154.4℃。

图5 粘接层厚度与结温的关系。(a)BN/EP复合材料; (b)Al2O3/EP复合材料。Fig.5 Relationship between thickness of adhesive materials and junction temperatures.(a)BN/EP composites. (b)Al2O3/EP composites.

3.1.2 粘接层复合材料热导率

粘接层复合材料热导率与导热微粉添加量之间的关系如图6所示,随着BN质量分数的增加,热导率先缓慢增加,在20%之后快速增加。当BN质量分数为60%时,BN/EP复合材料热导率达到最大值1.577 W/(m·K),是纯环氧树脂的7.9倍。这是由于在填料含量较少时,导热微粒孤立地分散在环氧树脂中,彼此之间没有相互接触,对热导率的提高贡献不大。随着填料含量的增加,导热微粒开始相互接触,在复合材料中形成网状导热通道,热量可以随着这些热阻较小的通道快速地传输出去,热导率随之快速增加。BN质量分数超过60%后,热导率开始下降。这是由于BN微粉含量过多,不能良好地分散在环氧树脂中,颗粒堆积发生团聚现象,热量聚集不能很好地传输出去导致热导率下降。Al2O3含量较低时,Al2O3/EP复合材料与BN/EP复合材料热导率相差不大,随着填料含量增加,热导率也迅速随之增加。当加入的Al2O3质量分数为50%时, Al2O3/EP复合材料热导率达到最大值0.892 W/ (m·K),是纯环氧的4.5倍。超过这一含量,热导率开始下降。由于Al2O3微粉的热导率低于BN微粉等因素,因此与BN相比,在同等填料含量下, Al2O3填充环氧树脂复合材料的导热性能稍差。

图6 复合材料热导率与导热微粉添加量的关系Fig.6 Relationship between thermal conductivity of composites and the content of powder

此外,对导热微粉进行表面处理可增加微粒表面活性[20],使其能更好地分散在环氧树脂中。如图7所示,(a)、(b)和(c)、(d)分别为60%和50%未经过表面处理和经过表面处理的BN/EP复合材料和Al2O3/EP复合材料的SEM(TESCAN MIRA 3)图片。从图中可以看出,经过表面处理的粉末分散性更好。且图7(a)中未经表面处理的BN/EP复合材料中存在很多空洞和裂缝,而图7(b)表面处理过的BN空洞和裂缝较少,BN颗粒彼此之间紧密接触,有效地促进了声子在复合材料中的传播,有利于提高复合材料的热导率[21]。

图7 60%BN/EP复合材料未经表面处理(a)和经过表面处理(b)的SEM图,以及50%Al2O3/EP复合材料未经表面处理(c)和经过表面处理(d)的SEM图。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.

图8 粘接层材料热导率对结温的影响Fig.8 Effectof thermal conductivity of adhesivematerials on junction temperature

将以上制得的不同热导率的复合材料用作LED灯PCB板与散热铝块之间的粘接层,保持其他条件不变,得到结温与粘接层材料热导率的关系,如图8所示。从图中可以看出,1 W的LED灯结温随着粘接材料热导率的增大先快速降低而后趋于平缓。这是由于粘接层热阻与热导率成反比关系,热导率升高,粘接层热阻快速降低,LED芯片聚集的热量迅速散发出去,结温快速降低,当热导率继续增加,粘接层热阻变化不大,LED芯片结温随之趋于平缓。2 W和3 W LED灯的结温也呈现出相同的变化趋势,但结温下降速度明显比1 W LED灯快。粘接层复合材料的热导率越大,LED的结温越低。BN/EP复合材料粘接层和Al2O3/EP复合材料粘接层在LED灯功率为1W时,实验测量结温与模拟结温比较吻合;2W和3 W时的实验测量结温普遍高于模拟结温,且3 W时的实验测量结温与模拟结温偏差较大。

3.2 LED温度分布

图9 1W LED温度场分布。(a)60%BN/EP复合材料实验测量;(b)60%BN/EP复合材料COMSOL模拟;(c)50% Al2O3/EP复合材料实验测量;(d)50%Al2O3/EP复合材料COMSOL模拟。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.

图10 60%BN/EP复合材料粘接层2W LED温度分布的实验测量(a)和COMSOL模拟(b);60%BN/EP复合材料粘接层3 W LED温度场分布的实验测量(c)和COMSOL模拟(d);纯环氧树脂粘接层1 W LED温度分布的实验测量(e)和COMSOL模拟(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.

当厚度为0.1 mm的60%BN/EP复合材料作为粘接层材料时,1 W LED灯的实验测量温度分布和COMSOL模拟温度分布如图9(a)和(b)所示。从图中可以看出,芯片产生的热量通过内部热沉、PCB电路板和外部热沉传递到外面,芯片温度最高,为75.2℃;而温度最低点出现在外部热沉边缘,为57.6℃。另外,实际测量结温为75.2℃,而COMSOL模拟结温为74.56℃,实验测量得到的结温比模拟结温略高,但测量得到的温度分布趋势与模拟温度分布趋势基本吻合。当50%Al2O3/EP复合材料为粘接材料时,1 W LED灯的实验测量温度分布与COMSOL模拟温度分布如图9(c)和(d)所示,其温度分布趋势与BN/ EP复合材料粘接层相似,但结温略高,其实验测量结温和模拟结温分别为78.2℃和77.14℃。

此外,我们还测量了BN/EP复合材料粘接层2 W、3 W LED灯和纯环氧树脂粘接层1 W LED灯的温度分布,如图10所示。它们的温度分布均与1 W BN/EP复合材料粘接层LED类似,最高温度点出现在中央芯片上,而最低温度点在外部热沉上,芯片产生的热量向下传递,通过外部热沉散出。且实验测量值与COMSOL模拟值相差不大。纯环氧树脂作为粘接层时其实验测量LED灯的结温为102.8℃,高于Al2O3/EP复合材料粘接层,更高于BN/EP复合材料粘接层。再次证明了LED灯的结温与粘接层复合材料热导率有关,粘接层复合材料热导率越大,LED结温越低。

4 结 论

随着PCB板与散热铝块间粘接层厚度的增加,LED灯的结温一直升高,但是粘接层过薄会导致粘接强度降低,容易出现裂纹影响LED灯的寿命。实验结果表明最佳粘接层厚度为0.1 mm,此时功率为1W的BN/EP复合材料粘接层LED灯的结温为76.6℃,功率为1 W的Al2O3/EP复合材料粘接层LED灯结温为78.2℃。BN和Al2O3导热微粒的加入大大提高了粘接层复合材料的热导率,当加入的BN的质量分数为60%时, BN/EP复合材料粘接层的热导率达到最高值1.577W/(m·K),是纯环氧树脂的7.9倍,此时LED灯的结温比纯环氧树脂粘接层降低了27.6℃;当加入Al2O3的质量分数为50%时, Al2O3/EP复合材料粘接层热导率最高达到0.892 W/(m·K),是纯环氧树脂的4.5倍,此时LED灯的结温比纯环氧树脂粘接层降低了24.6℃。

[1]Krames M R,Shchekin O B,Mueller-Mach R,et al.Status and future of high-power light-emitting diodes for solid-state lighting[J].J.Disp.Technol.,2007,3(2):160-175.

[2]Qian M H,Lin Y D,Sun Y J.Life prediction model for LEDs based on the photo-electro-thermal-life theory[J].Acta Optica Sinica(光学学报),2012,32(8):177-182(in Chinese).

[3]Jin P,Yu C Y,Zhou Q F,et al.Superior application of LED to street lighting[J].Opt.Precision Eng.(光学精密工程),2011,19(1):51-55(in Chinese).

[4]Yu B H,Wang Y H.Junction temperature and thermal resistance restrict the developing of high-power LED[J].Chin. J.Lumin.(发光学报),2005,26(6):761-766(in Chinese).

[5]Yang LQ,Fu M J,Wei B,et al.Thermal analysis and thermal design of organic Light-emitting diode[J].Chin.J. Lumin.(发光学报),2012,33(6):624-627(in Chinese).

[6]Chen Q,Luo X,Zhou S,etal.Dynamic junction temperaturemeasurement for high power lightemitting diodes[J].Rev. Sci.Instrum.,2011,82(8):084904-1-7.

[7]Liang T J,Zhang FH,Qiu X Z,et al.The influence of junction temperature on the spectral characteristics ofwhite LED with low color rendering index[J].J.Funct.Mater.(功能材料),2013,43(24):3389-3392(in Chinese).

[8]Gao JQ,Guo QH,He X T.Reserch and design ofheatemission on LED roadway lighting luminaire[J].Chin.Illumin. Eng.J.(照明工程学报),2010,21(5):81-85(in Chinese).

[9]Chen Y X,Shen G D,Han JR,etal.Study of lightefficiency and lifetime of LED with different surface structures[J]. Acta Phys.Sinica(物理学报),2010,59(1):545-549(in Chinese).

[10]Lin Y,Lu Y J,Gao Y L,et al.Measuring the thermal resistance of LED packages in practical circumstances[J].Thermochim.Acta,2011,520(1):105-109.

[11]Shi D,Feng SW,Zhang Y M,et al.Thermal investigation of LED array with multiple packages based on the superpositionmethod[J].Microelectron.J.,2015,46(7):632-636.

[12]Wang J,Zhao X J,Cai Y X,et al.Experimental study on the thermalmanagement of high-power LED headlight coolingdevice integrated with thermoelectric cooler package[J].Energ.ConversManage.,2015,101(1):532-540.

[13]Wang G Y,Jiang G L,Zhang J.Preparation,curing kinetic and properties ofa novelaminewith flexible polyoxypropylene side chain curing agent for epoxy resin[J].Thermochim.Acta,2014,589(10):197-206.

[14]PengW Y,Huang X Y,Yu JH,et al.Electrical and thermophysical properties of epoxy/aluminum nitride nanocomposites:Effects of nanoparticle surface modification[J].Composites Part A:Appl.Sci.Manufact.,2010,41(9): 1201-1209.

[15]Nie G C,Wu Y H,Xie X L.Synthesis and structural analysis of new epoxy resin nanocomposites[J].Chin.J.Struct. Chem.(结构化学),2004,23(8):957-961(in Chinese).

[16]Kim K H,Kim M J,Hwang Y S,etal.Chemicallymodified boron nitride-epoxy terminated dimethylsiloxane composite for improving the thermal conductivity[J].Ceram.Inter.,2014,40(1):2047-2056.

[17]Gao Z F,Zhao L.Effect of nano-fillers on the thermal conductivity of epoxy composites with micro-Al2O3particles[J]. Mater.Design,2015,66:176-182.

[18]Mu QW.Multi function heat conduction coefficientmeasuring instrument.China:CN203772777U[P].2014-08-13.

[19]Zhang M C.Preparation of Thermal Composite Materials and Reflective Materials for Application Research on White LED [D].Shanghai:East China Normal University,2010(in Chinese).

[20]Dang ZM,Yu Y F,Xu H P,etal.Study onmicrostructure and dielectric property of the BaTiO3/epoxy resin composites [J].Composit.Sci.Technol.,2008,68(1):171-177.

[21]Ran Q.Study on Thermal Interface of Epoxy Resin Composites Materials[D].Chongqing:Chongqing University,2015 (in Chinese).

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

吕亚南(1990-),女,河南平顶山人,硕士研究生,2014年于信阳师范学院获得学士学位,主要从事大功率LED散热及封装材料的研究。E-mail:1518503285@qq.com

牟其伍(1955-),男,重庆万州人,教授,1982年于四川大学获得硕士学位,主要从事电子电器和大功率LED的封装及相关材料的研究。E-mail:qwmcqu@163.com

TN312.8

A

10.3788/fgxb20153612.1469

1000-7032(2015)12-1469-08

2015-08-30;

2015-09-23

重庆市国际科技合作项目(cstc2012gg-gjhz50001);重庆大学教学改革研究项目(2014Y31);国家级大学生创新训练项目(201510611027)资助