LED散热用镜面铝不同表面处理的性能

杜元宝，张耀华，蔡晓宁,刘永福

(1.宁波升谱光电股份有限公司，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 315000；2.中国科学院大学，北京 100049)

引言

随着大功率LED正向高电流度、高光通量发展，散热问题一直是急需解决的问题。散热效果的好坏直接影响到LED灯的寿命和发光效率。有效地解决大功率LED封装器件的散热问题，对提高LED器件可靠性和寿命具有重要意义。普通绝缘层的铝基板导热系数在1～8 W/(m·K)。镜面铝是一种基于传统PCB的热电分离技术的高导热铝基板，导热系数是137 W/(m·K)，大大地提高了LED芯片的散热能力，是一款开发出来专门用于大功率集成光源的一种基板材料。镜面铝基板不但具有硫化能力，而且散热更快，镜面反射率高达98%以上，LED光效也能显著提高。目前采用镜面铝为基板的大功率LED封装器件是LED芯片通过固晶工序直接贴在镜面化处理的铝基板上，不仅可把其他散光从基板底部给反射过来，提高光效，而且减少了中间的热阻，热量直接由芯片传递到散热基板上，散热性能得到显著提高。目前镜面铝基板的镜面反射主要是靠银进行反射，银具有天然的高反射的特性，但其却很容易被氧化，因此镀层表面要进行防氧化处理，防氧化镀层目前主要有TiO2和SiO2组合以及TiO2和Al2O3组合两种。这两种镀层在实际应用中都会出现不同程度的镀层脱落和高温衰减以及硫化问题，本文主要对TiO2和SiO2组合以及TiO2和Al2O3两种镀层失效的原因进行分析，同时研究采用Nb2O5和Al2O3组合作为镜面铝表面的防氧化镀层，同时在银层表面增加一层粘接层来提高镀层间结合力来改善铝基板在防硫化、高温衰减、镀层结合力方面性能[1-3]。

1 理论依据

首先从与基片相邻的底层膜开始，将底层膜的两个界面等效成一个界面，然后再将这个等效界面与上一个界面等效为一个界面，依次往上递推到膜系的顶层的第一个界面，根据菲涅尔多层膜的系数递推法如式(1)所示。

(1)

2 实验设计

实验首先制备三种镜面铝材，衬底基材选用相同的1090纯铝作为基底，分别采用型号为EJEX°-1阳极氧化和型号为XLT-106电镀设备以及型号为CJ2500溅射设备在纯铝表面制备防氧化镀层处理，复合镀层结构如图1～图4所示，其中粘接层厚度为200 nm，Al2O3和TiO2以及Nb2O5厚度为1 μm，银层厚度为2 μm，镜面铝镀层加工处理方式主要采用氧化、电化学、溅射及电子蒸镀的处理方式，镜面铝样品制备好后，首先将三种处理好的镜面铝的铝材在高温烘烤下做反射率测试，具体为在LED灯光照射的180 ℃高温条件下持续烘烤2 000 h分别对三种铝材做全反射测试、450 nm、550 nm单波长反射率测试。其次，将三种铝材制备成LED封装基板，表面覆盖一层硅胶做保护，将三种基板做防硫化测试，具体为将2 g纯度为99%的硫粉分别和三种LED封装基板一起放置密闭的容器中，150 ℃高温持续烘烤4 h,观察三种LED封装基板的镜面变化情况，最后通过百格测试对三种铝材的复合镀层进行粘接力测试[4-7]。

图1 TiO2和SiO2镀层处理

图2 TiO2和Al2O3镀层处理

图3 Nb2O5和Al2O3镀层处理

图4 LED镜面铝基板结构图

3 结果与分析

3.1 高温反射测试分析

1)在180 ℃烤箱(内置LED灯光)持续烘烤2 000 h，三种表面处理全反射测试，见图5。

图5 三种表面处理全反射测试

2)在180 ℃烤箱(内置LED灯光)持续烘烤2 000 h，在450 nm波长的三种表面处理反射率测试，见图6。

图6 三种表面处理450 nm反射率测试

3)在180 ℃烤箱(内置LED灯光)持续烘烤2 000 h，在550 nm波长的三种表面处理的反射率测试，见图7。

图7 三种表面处理550 nm反射率测试

在高温反射率测试中，我们发现，三种防氧化复合镀层在起始，反射率基本相同，但是随着时间的加长，反射率逐渐下降。Nb2O5和Al2O3的表面复合镀层在高温下全发反测试以及后面450 nm、550 nm单波长的反射率测试衰减最小，表现最优，TiO2和Al2O3的复合镀层表现其次，采用TiO2和SiO2的复合镀层高温反射性能最低[8-10]。

导致TiO2和Al2O3以及TiO2和SiO2两种防氧化镀层高温反射率下降快的原因，是由于TiO2是一种N型半导体材料，能带是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成，禁带宽度为3～3.2 eV, 与一个390 nm左右的光子能量相当，临近可见光短波部分。

图8 TiO2镀层氧化机制

图9 TiO2紫外吸收光谱

当可见光中的光子波长低于390 nm时候，价带的电子就会激发到导带上，产生光生电子e-和光生空穴h+，形成的空穴h+和原子氧和氢氧自由基等强氧化剂和强活性离子，他们很容易透过下面的氧化层将银层氧化，进而与Ag发生氧化反应生成氧化银导致发黑问题进而影响光的发射，同时Al2O3表面羟基的没有SiO2表面羟基丰富，因此更稳定，因此TiO2和Al2O3复合镀层抗氧护能力优于TiO2和SiO2复合镀层。Nb2O5是一种重要的N型宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度3.4 eV，可将光及近红外都是透明的，但是Nb2O5致密性极好，是一种堆积密度近乎为1的高反射、高稳定性的保护薄膜，在短波长下比TiO2稳定，更能阻隔可见光及空气小分子的侵袭，防氧化能力更强。

3.2 防硫化测试分析

LED镜面铝基板硫化现象，指的是由于环境中的硫(S)元素在一定温度与湿度条件下，其中-2价的硫会通过镜面表面镀层的微小缝隙逐步渗透进入镀层内部与+1价的银发生化学反应生成黑色Ag2S的过程。银对硫有很强的亲和力，加热时可以与硫直接化合成黑色的物质Ag2S。硫化后LED器件会出现光效降低、颜色飘移，甚至出现芯片与基板表面脱离进而引发死灯。

可见，镜面铝的防氧化镀层结构的设计对于LED器件的可靠性十分重要。本文实验首先将三种铝材压合成LED镜面铝基板，基板19 mm×19 mm大小，镜面表面覆盖一层甲级低折硅胶做保护，实验前首先对三种基板进行150 ℃、2 h除湿处理，然后放置在一个玻璃容器中，实验前需要对玻璃容器进行内外部以及盖子用酒精进行清洗确保无胶体及其他污染残留。清洗完成后将玻璃容器盖上盖子放置在150 ℃烤箱除湿30 min，容器除湿结束后，去除冷却至室温，称取2 g硫粉(化学纯)，实验前确认硫粉无结块、变色杂质等异常，将其均匀的分散在玻璃容器的底部，将已经处理处理的三种铝材的切片放置在玻璃容器的底部，盖上盖子，并用高温胶带将盖子四周密封，最后放置于150 ℃的烤箱，温度仪表显示150 ℃后，关闭烤箱门，持续烘烤4 h，时间到后取出样片，100倍显微镜下观察测试分析[11]。

表1 三种表面处理防硫化测试

在硫化测试上，采用Nb2O5和Al2O3的复合镀层处理后，防硫化能力显著提高，表面未出现黑色物质硫化银，而采用TiO2和SiO2处理的复合镀层硫化最严重，TiO2和Al2O3出现轻微硫化问题。

采用Hitachi 3400N及Horiba 7021-H设备对黑色物质进行SEM及EDX元素分析，确认S元素的存在，黑色物质为硫化银，这说明底层的金属银与S元素反应后会向上迁移至镀层表面如图10、图11所示。

图10 黑色结晶物质

图11 黑色结晶物质EDX元素分析

3.3 粘接力测试分析

对三种铝材进行镀层粘接力测试，选用刀口宽度约为10～12 mm的百格刀横向与纵向划10×10(100个)的正方形小格子，以1 mm为间隔，每一条划线深及纯铝基材。用3M610胶带先与镜面贴合，在垂直方向(90°)迅速将胶带拉开，用显微镜观察三种铝材的镜面镀层的变化[12-14]。

表2 三种表面处理粘接力测试

在粘接力测试上，只有采用Nb2O5和Al2O3处理符合镀层未出现镀层脱落现象，其余两组都出现了不同程度的镀层脱落问题，表明Nb2O5和Al2O3防氧化层下面的粘接层起到了增加镀层间粘接力的效果。

4 结论

LED散热用镜面铝基板镜面表面镀层采用Nb2O5和Al2O3的复合镀层处理后，在LED灯光照射下180 ℃高温下持续2 000 h的全反射测试、450 nm反射率测试、550 nm反射率测试，防硫化能力以及镀层的粘接力三个方面的性能都明显优于目前采用的TiO2和Al2O3以及TiO2和SiO2的复合镀层表面处理方式，可以为高可靠性、高反射涂层以及大功率LED封装器件镜面铝基板的性能改进等提供参考。