用于LED應(yīng)用的多層MgO/ZnO薄膜熱界面材料

    摘要
    采用單片MgO和多層MgO/ZnO薄膜在Cu襯底上自旋鍍膜。采用XRD分析研究了涂層的結(jié)構(gòu)性能。利用AFM和FESEM傾斜圖像分析探討了低表面粗糙度在散熱中的重要性。結(jié)果表明:當(dāng)MgO/ZnO比例為6:4時，樣品表面粗糙度較小(2.6nm)，峰谷距離*小(1.2nm);同樣，在6:4L/MgO/ZnO邊界條件下，在700mA時也記錄了顯著的高熱阻差(ΔRth-tor=3.18K/W)。研究發(fā)現(xiàn)，安裝在6:4L/MgO/ZnO固體薄膜TIM和???熱器上的LED在工作過程中進一步改善了熱分布，優(yōu)化了光學(xué)性能，并且LED表面溫度*低，這與裸銅襯底邊界(空氣界面)相比要好?？偟膩碚f，MgO/ZnO固體薄膜的性能證明了它適合作為電子和照明包裝應(yīng)用的替代界面材料。
    介紹
    早期研究發(fā)現(xiàn)，由于多層陶瓷組合改變薄膜熱特性的能力，兩種或多種陶瓷以多層形式組合在散熱和增強LED性能方面都更有效。本研究工作的新穎之處在于將MgO和ZnO以多層形式集成，并將其用作固體薄膜TIM和led封裝的散熱器，從而探索其性能。MgO和ZnO由于MgO具有較高的溫度穩(wěn)定性、較低的熱容量、約為(60W/mK)的熱導(dǎo)率、較高的熔點和化學(xué)惰性而被認為是固體薄膜TIM，而ZnO具有獨特的電學(xué)和光學(xué)透明和高激子結(jié)合能(60meV)，有助于激發(fā)發(fā)射過程，低熱膨脹系數(shù)(4.77×10-5C-1)，化學(xué)惰性。以往使用MgO/ZnO薄膜進行的研究大多集中在陶瓷復(fù)合材料在氣敏、儲能、介電或等離子體顯示應(yīng)用方面的應(yīng)用，而薄膜作為固體薄膜TIM用于器件熱管理的絕緣性能的影響尚未被探索。因此，本研究的重點是利用自旋鍍膜技術(shù)在銅(Cu)襯底上沉積MgO和ZnO多層薄膜，探索其結(jié)構(gòu)、表面和熱性能，以改善大功率LED的散熱、熱性能和光學(xué)性能。
    實驗部分
    在Cu基體上沉積MgO和ZnO溶液，實現(xiàn)了多層薄膜鍍膜工藝。但是，在沉積過程之前，將2.5g四水乙酸鎂((CH?COO?)Mg4H?O)溶于20mL乙醇(C?H?O)中，制成0.6MMgO溶液，并在溶液中滴入硝酸(HNO?)作為穩(wěn)定劑。在攪拌條件下，滴式加入二乙醇胺(C?H??NO?)獲得粘性溶液。將MgO溶液在60℃下攪拌3h，以保證乙酸鎂完全溶解，使溶液均勻。而對于ZnO溶液制備，將2.9g醋酸鋅(ZnC4H6O4)溶于20mL2-甲氧基乙醇(CH?OCH?CH?OH)，并滴入單乙醇胺(C?H?NO)，使溶液清晰、透明、粘稠。在加熱(60℃)下進一步攪拌3h，*后MgO和ZnO溶液老化24h，在等待老化過程的同時，將Cu底材切割成2.5cm×2.5cm，用丙酮、甲醇、去離子水清洗,用氮氣干燥。首先，將MgO溶液滴在清洗干凈的基材上，以3000轉(zhuǎn)r/min的速度旋轉(zhuǎn)30分鐘，并在200℃下預(yù)熱涂層20分鐘，使其干燥并去除剩余溶劑。接下來，利用優(yōu)化后的參數(shù)將制備好的ZnO溶液旋涂到MgO層上，并使用之前使用的旋涂和干燥參數(shù)進行干燥。根據(jù)另一篇論文中發(fā)表的優(yōu)化參數(shù)，總共固定了10次涂層循環(huán)，在Al基底上達到600nm的厚度。共制備了6個樣品，其中**個樣品采用10個整體MgO涂層循環(huán)，其他5個樣品的制備方法為:在9層MgO之間引入1層ZnO，在8層MgO之間引入2層ZnO，在3層、4層和5層ZnO之間分別引入7層、6層和5層MgO。MgO和ZnO的堆疊排列如圖2d所示。氧化鋅層引入MgO的目的是探索氧化鋅水平對MgO結(jié)構(gòu)性能和熱性能的影響。每次薄膜沉積(MgO或ZnO)后，將薄膜在200℃下干燥20min。重復(fù)沉積和干燥過程，使每個樣品共涂10層。沉積過程結(jié)束后，制備的薄膜在400℃下退火1h。
    結(jié)果與討論
    表面分析
    通常推薦低表面粗糙度的固體薄膜，以幫助消除由于任何兩個固體配合表面的粗糙表面而產(chǎn)生的間隙中可能的空氣分子，并建立一個**的熱路徑。采用AFM表面探測方法對所研究樣品的表面性質(zhì)進行研究，從研究中提取的三維圖像如圖4所示，樣品的對比表面粗糙度直方圖如圖5所示。
    圖4.裸Cu、MgO和MgO/ZnO多層薄膜包覆Cu襯底的三維AFM圖像。
    單片MgO和多層MgO/ZnO薄膜沉積Cu襯底的表面相對光滑，其粗糙度分別為30.6nm、8.73nm、10nm、9.0nm、4.1nm、2.6nm和7.2nm，單片MgO、9:1、8:2、7:3、6:4和5:5L多層薄膜。在9:1L和8:2L的MgO中，由于ZnO的加入量較少，MgO的表面粗糙度較高，添加劑ZnO對改善MgO的表面結(jié)構(gòu)沒有顯著作用，反而會引起多層顆粒的團聚，導(dǎo)致表面粗糙度較高。
    圖5.MgO和MgO/ZnO多層薄膜包覆Cu基板的峰谷距離。
    圖5清晰地定義了所有樣品的峰谷分布，裸、9:1、8:2和5:5L/MgO/ZnO多層薄膜包覆Cu襯底的*大譜線距離分別為34.9nm、5.53nm、6.8nm和5.28nm。與7:3L/MgO/ZnO多層MgO和單片MgO樣品記錄的1.63和1.75nm相比，6:4L樣品記錄的*小峰谷(1.2nm)。同樣，從FESEM傾斜圖像分析(圖7)，9:1、8:2、7:3、5:5和10L樣品表面缺陷較多，部分顆粒較大，且存在多孔表面，與6:4L/MgO/ZnO樣品表面相比，呈現(xiàn)多孔少、缺陷*小的薄膜表面。從表面粗糙度、峰谷和FESEM傾斜圖像三種表面分析結(jié)果來看，裸Cu、9:1L、8:2L、7:3L、5:5L和單片MgO均表現(xiàn)出較高表面粗糙度，峰谷，表面缺陷。
    圖7.MgO和MgO/ZnO涂層Cu襯底傾斜40°的FESEM圖像。
    這些結(jié)果表明，LED之間固定在各自樣品表面的預(yù)期可能接觸面積和點非常低，從而在界面之間產(chǎn)生空氣間隙，這將影響通過界面的熱流，從而導(dǎo)致led與散熱器界面之間的熱接觸電阻高，接觸電導(dǎo)低。而6:4L/MgO/ZnO樣品顯示出*低的表面粗糙度，*小的峰谷距離，表面沒有缺陷，因此，高微接觸和可能改善的熱傳播和傳遞到環(huán)境的LED連接到該樣品。與單片MgO基片和裸Cu基片相比，6:4L的低峰谷和改善的表面質(zhì)量表明ZnO加入到MgO中，改善了從led封裝中過度散熱的熱路徑，并且6:4L/MgO/ZnO多層薄膜的熱阻值預(yù)計會更低。Mahendrakumar進行了一項實驗，量化了表面粗糙度對界面?zhèn)鳠岬挠绊懀C明了任意兩種材料表面接觸之間的表面粗糙度減小，任何界面的傳熱速率都是增加的。
    LED的光學(xué)性能及封裝紅外熱成像分析
    在光學(xué)測量過程中，LED分別使用350mA、500mA和700mA驅(qū)動電流供電。圖9給出了不同驅(qū)動電流下安裝在不同邊界條件下的LED的CCT變化情況。從圖9中可以看出，隨著驅(qū)動電流的增加，CCT值也隨之增加。CCT值的上升是由于測試LED的Rth值的上升;然而，在所有邊界條件下，觀測值都落在2950-3000K的范圍內(nèi)。圖9顯示了裸銅襯底、商用熱墊、9:1、8:2、7:3和5:5L樣品在所有驅(qū)動電流下顯示高CCT值。同時，6:4L/MgO/ZnO多層薄膜邊界條件在所有驅(qū)動電流下的CCT值均低于單片MgO和其他MgO/ZnO多層薄膜邊界條件。由6:4L樣品顯示的低值可能與熱瞬態(tài)分析記錄的低Rth-tot和rth-熱擴散器有關(guān)。從6:4L界面記錄的低總熱阻和界面熱阻導(dǎo)致LED封裝的高效熱傳導(dǎo)，這導(dǎo)致LED光學(xué)性能的顯著改善，并隨后降低其CCT值。
    圖9.LED安裝在裸銅、商用襯墊、MgO和MgO/ZnO薄膜涂層Cu基底上的CCT行為。
    除了實現(xiàn)低CCT外，還需要顯示高LUX并保持LED的亮度。實現(xiàn)和保持LED亮度的方法之一是改善LED封裝和散熱器之間的熱路徑，這將促進熱量從封裝有效地傳遞到環(huán)境中。LUX定義了光在聚焦區(qū)域傳播的速率。圖10顯示了所有被研究樣品上安裝的LED的LUX變化。所有邊界條件下的LUX值隨著驅(qū)動電流從350mA增加到700mA而增加。
    圖10.安裝在裸銅襯底、商用襯墊、MgO和MgO/ZnO薄膜涂層銅襯底上的led的LUX行為。
    結(jié)論
    采用自旋涂層沉積技術(shù)，合成了單片MgO和多層MgO/ZnO固體薄膜作為熱界面材料和熱擴散劑。通過對大功率LED的總熱阻、界面熱阻、光學(xué)、表面溫度和熱分布特性的表征，測試了單片MgO和多層MgO/ZnO固體薄膜作為熱界面材料和散熱器的性能。以6:4L(MgO/ZnO)結(jié)構(gòu)制備的MgO/ZnO固體薄膜樣品的晶粒尺寸*大(35nm)，位錯密度為8.1×10-4line/m2，表面粗糙度較小(2.6nm)，峰谷*小(1.2nm)，熱輸運性能組合良好。當(dāng)MgO/ZnO樣品配比為6:4L時，LED熱阻為8.91K/W（700mA），光學(xué)性能得到改善，LED表面溫度*低。以6:4L/MgO/ZnO界面記錄的結(jié)果證明，實現(xiàn)TIM和低膜表面粗糙度的熱擴散，以提供從LED封裝到環(huán)境的**傳熱。因此，MgO/ZnO復(fù)合固體薄膜可作為電子和照明應(yīng)用的熱界面材料。

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