用于LED應用的多層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構性能。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。結果表明:當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)。研究發現，安裝在6:4L/MgO/ZnO固體薄膜TIM和散熱器上的LED在工作過程中進一步改善了熱分布，優化了光學性能，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用的替代界面材料。
    介紹
    早期研究發現，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具有較高的溫度穩定性、較低的熱容量、約為(60W/mK)的熱導率、較高的熔點和化學惰性而被認為是固體薄膜TIM，而ZnO具有獨特的電學和光學透明和高激子結合能(60meV)，有助于激發發射過程，低熱膨脹系數(4.77×10-5C-1)，化學惰性。以往使用MgO/ZnO薄膜進行的研究大多集中在陶瓷復合材料在氣敏、儲能、介電或等離子體顯示應用方面的應用，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在銅(Cu)襯底上沉積MgO和ZnO多層薄膜，探索其結構、表面和熱性能，以改善大功率LED的散熱、熱性能和光學性能。
    實驗部分
    在Cu基體上沉積MgO和ZnO溶液，實現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r/min的速度旋轉30分鐘，并在200℃下預熱涂層20分鐘，使其干燥并去除剩余溶劑。接下來，利用優化后的參數將制備好的ZnO溶液旋涂到MgO層上，并使用之前使用的旋涂和干燥參數進行干燥。根據另一篇論文中發表的優化參數，總共固定了10次涂層循環，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，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結構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。重復沉積和干燥過程，使每個樣品共涂10層。沉積過程結束后，制備的薄膜在400℃下退火1h。
    結果與討論
    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的表面結構沒有顯著作用，反而會引起多層顆粒的團聚，導致表面粗糙度較高。
    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果來看，裸Cu、9:1L、8:2L、7:3L、5:5L和單片MgO均表現出較高表面粗糙度，峰谷，表面缺陷。
    圖7.MgO和MgO/ZnO涂層Cu襯底傾斜40°的FESEM圖像。
    這些結果表明，LED之間固定在各自樣品表面的預期可能接觸面積和點非常低，從而在界面之間產生空氣間隙，這將影響通過界面的熱流，從而導致led與散熱器界面之間的熱接觸電阻高，接觸電導低。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計會更低。Mahendrakumar進行了一項實驗，量化了表面粗糙度對界面傳熱的影響，證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的光學性能及封裝紅外熱成像分析
    在光學測量過程中，LED分別使用350mA、500mA和700mA驅動電流供電。圖9給出了不同驅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。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分析記錄的低Rth-tot和rth-熱擴散器有關。從6:4L界面記錄的低總熱阻和界面熱阻導致LED封裝的高效熱傳導，這導致LED光學性能的顯著改善，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。
    除了實現低CCT外，還需要顯示高LUX并保持LED的亮度。實現和保持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境中。LUX定義了光在聚焦區域傳播的速率。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。
    結論
    采用自旋涂層沉積技術，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、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)結構制備的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MgO/ZnO樣品配比為6:4L時，LED熱阻為8.91K/W（700mA），光學性能得到改善，LED表面溫度*低。以6:4L/MgO/ZnO界面記錄的結果證明，實現TIM和低膜表面粗糙度的熱擴散，以提供從LED封裝到環境的**傳熱。因此，MgO/ZnO復合固體薄膜可作為電子和照明應用的熱界面材料。

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