用于LED应用的多层MgO/ZnO薄膜热界面材料
摘要 采用单片MgO和多层MgO/ZnO薄膜在Cu衬底上自旋镀膜。采用XRD分析研究了涂层的结构性能。利用AFM和FESEM倾斜图像分析探讨了低表面粗糙度在散热中的重要性。结果表明:当MgO/ZnO比例为6:4时，样品表面粗糙度较小(2.6nm)，峰谷距离*小(1.2nm);同样，在6:4L/MgO/ZnO边界条件下，在700mA时也记录了显著的高热阻差(ΔRth-tor=3.18K/W)。研究发现，安装在6:4L/MgO/ZnO固体薄膜TIM和���热器上的LED在工作过程中进一步改善了热分布，优化了光学性能，并且LED表面温度*低，这与裸铜衬底边界(空气界面)相比要好。总的来说，MgO/ZnO固体薄膜的性能证明了它适合作为电子和照明包装应用的替代界面材料。 介绍 早期研究发现，由于多层陶瓷组合改变薄膜热特性的能力，两种或多种陶瓷以多层形式组合在散热和增强LED性能方面都更有效。本研究工作的新颖之处在于将MgO和ZnO以多层形式集成，并将其用作固体薄膜TIM和led封装的散热器，从而探索其性能。MgO和ZnO由于MgO具有较高的温度稳定性、较低的热容量、约为(60W/mK)的热导率、较高的熔点和化学惰性而被认为是固体薄膜TIM，而ZnO具有独特的电学和光学透明和高激子结合能(60meV)，有助于激发发射过程，低热膨胀系数(4.77×10-5C-1)，化学惰性。以往使用MgO/ZnO薄膜进行的研究大多集中在陶瓷复合材料在气敏、储能、介电或等离子体显示应用方面的应用，而薄膜作为固体薄膜TIM用于器件热管理的绝缘性能的影响尚未被探索。因此，本研究的重点是利用自旋镀膜技术在铜(Cu)衬底上沉积MgO和ZnO多层薄膜，探索其结构、表面和热性能，以改善大功率LED的散热、热性能和光学性能。 实验部分 在Cu基体上沉积MgO和ZnO溶液，实现了多层薄膜镀膜工艺。但是，在沉积过程之前，将2.5g四水乙酸镁((CH₃COO₂)Mg4H₂O)溶于20mL乙醇(C₂H₆O)中，制成0.6MMgO溶液，并在溶液中滴入硝酸(HNO₃)作为稳定剂。在搅拌条件下，滴式加入二乙醇胺(C₄H₁₁NO₂)获得粘性溶液。将MgO溶液在60℃下搅拌3h，以保证乙酸镁完全溶解，使溶液均匀。而对于ZnO溶液制备，将2.9g醋酸锌(ZnC4H6O4)溶于20mL2-甲氧基乙醇(CH₃OCH₂CH₂OH)，并滴入单乙醇胺(C₂H₇NO)，使溶液清晰、透明、粘稠。在加热(60℃)下进一步搅拌3h，*后MgO和ZnO溶液老化24h，在等待老化过程的同时，将Cu底材切割成2.5cm×2.5cm，用丙酮、甲醇、去离子水清洗,用氮气干燥。首先，将MgO溶液滴在清洗干净的基材上，以3000转r/min的速度旋转30分钟，并在200℃下预热涂层20分钟，使其干燥并去除剩余溶剂。接下来，利用优化后的参数将制备好的ZnO溶液旋涂到MgO层上，并使用之前使用的旋涂和干燥参数进行干燥。根据另一篇论文中发表的优化参数，总共固定了10次涂层循环，在Al基底上达到600nm的厚度。共制备了6个样品，其中**个样品采用10个整体MgO涂层循环，其他5个样品的制备方法为:在9层MgO之间引入1层ZnO，在8层MgO之间引入2层ZnO，在3层、4层和5层ZnO之间分别引入7层、6层和5层MgO。MgO和ZnO的堆叠排列如图2d所示。氧化锌层引入MgO的目的是探索氧化锌水平对MgO结构性能和热性能的影响。每次薄膜沉积(MgO或ZnO)后，将薄膜在200℃下干燥20min。重复沉积和干燥过程，使每个样品共涂10层。沉积过程结束后，制备的薄膜在400℃下退火1h。 结果与讨论 表面分析 通常推荐低表面粗糙度的固体薄膜，以帮助消除由于任何两个固体配合表面的粗糙表面而产生的间隙中可能的空气分子，并建立一个**的热路径。采用AFM表面探测方法对所研究样品的表面性质进行研究，从研究中提取的三维图像如图4所示，样品的对比表面粗糙度直方图如图5所示。 图4.裸Cu、MgO和MgO/ZnO多层薄膜包覆Cu衬底的三维AFM图像。 单片MgO和多层MgO/ZnO薄膜沉积Cu衬底的表面相对光滑，其粗糙度分别为30.6nm、8.73nm、10nm、9.0nm、4.1nm、2.6nm和7.2nm，单片MgO、9:1、8:2、7:3、6:4和5:5L多层薄膜。在9:1L和8:2L的MgO中，由于ZnO的加入量较少，MgO的表面粗糙度较高，添加剂ZnO对改善MgO的表面结构没有显著作用，反而会引起多层颗粒的团聚，导致表面粗糙度较高。 图5.MgO和MgO/ZnO多层薄膜包覆Cu基板的峰谷距离。 图5清晰地定义了所有样品的峰谷分布，裸、9:1、8:2和5:5L/MgO/ZnO多层薄膜包覆Cu衬底的*大谱线距离分别为34.9nm、5.53nm、6.8nm和5.28nm。与7:3L/MgO/ZnO多层MgO和单片MgO样品记录的1.63和1.75nm相比，6:4L样品记录的*小峰谷(1.2nm)。同样，从FESEM倾斜图像分析(图7)，9:1、8:2、7:3、5:5和10L样品表面缺陷较多，部分颗粒较大，且存在多孔表面，与6:4L/MgO/ZnO样品表面相比，呈现多孔少、缺陷*小的薄膜表面。从表面粗糙度、峰谷和FESEM倾斜图像三种表面分析结果来看，裸Cu、9:1L、8:2L、7:3L、5:5L和单片MgO均表现出较高表面粗糙度，峰谷，表面缺陷。 图7.MgO和MgO/ZnO涂层Cu衬底倾斜40°的FESEM图像。 这些结果表明，LED之间固定在各自样品表面的预期可能接触面积和点非常低，从而在界面之间产生空气间隙，这将影响通过界面的热流，从而导致led与散热器界面之间的热接触电阻高，接触电导低。而6:4L/MgO/ZnO样品显示出*低的表面粗糙度，*小的峰谷距离，表面没有缺陷，因此，高微接触和可能改善的热传播和传递到环境的LED连接到该样品。与单片MgO基片和裸Cu基片相比，6:4L的低峰谷和改善的表面质量表明ZnO加入到MgO中，改善了从led封装中过度散热的热路径，并且6:4L/MgO/ZnO多层薄膜的热阻值预计会更低。Mahendrakumar进行了一项实验，量化了表面粗糙度对界面传热的影响，证明了任意两种材料表面接触之间的表面粗糙度减小，任何界面的传热速率都是增加的。 LED的光学性能及封装红外热成像分析 在光学测量过程中，LED分别使用350mA、500mA和700mA驱动电流供电。图9给出了不同驱动电流下安装在不同边界条件下的LED的CCT变化情况。从图9中可以看出，随着驱动电流的增加，CCT值也随之增加。CCT值的上升是由于测试LED的Rth值的上升;然而，在所有边界条件下，观测值都落在2950-3000K的范围内。图9显示了裸铜衬底、商用热垫、9:1、8:2、7:3和5:5L样品在所有驱动电流下显示高CCT值。同时，6:4L/MgO/ZnO多层薄膜边界条件在所有驱动电流下的CCT值均低于单片MgO和其他MgO/ZnO多层薄膜边界条件。由6:4L样品显示的低值可能与热瞬态分析记录的低Rth-tot和rth-热扩散器有关。从6:4L界面记录的低总热阻和界面热阻导致LED封装的高效热传导，这导致LED光学性能的显著改善，并随后降低其CCT值。 图9.LED安装在裸铜、商用衬垫、MgO和MgO/ZnO薄膜涂层Cu基底上的CCT行为。 除了实现低CCT外，还需要显示高LUX并保持LED的亮度。实现和保持LED亮度的方法之一是改善LED封装和散热器之间的热路径，这将促进热量从封装有效地传递到环境中。LUX定义了光在聚焦区域传播的速率。图10显示了所有被研究样品上安装的LED的LUX变化。所有边界条件下的LUX值随着驱动电流从350mA增加到700mA而增加。 图10.安装在裸铜衬底、商用衬垫、MgO和MgO/ZnO薄膜涂层铜衬底上的led的LUX行为。 结论 采用自旋涂层沉积技术，合成了单片MgO和多层MgO/ZnO固体薄膜作为热界面材料和热扩散剂。通过对大功率LED的总热阻、界面热阻、光学、表面温度和热分布特性的表征，测试了单片MgO和多层MgO/ZnO固体薄膜作为热界面材料和散热器的性能。以6:4L(MgO/ZnO)结构制备的MgO/ZnO固体薄膜样品的晶粒尺寸*大(35nm)，位错密度为8.1×10-4line/m²，表面粗糙度较小(2.6nm)，峰谷*小(1.2nm)，热输运性能组合良好。当MgO/ZnO样品配比为6:4L时，LED热阻为8.91K/W（700mA），光学性能得到改善，LED表面温度*低。以6:4L/MgO/ZnO界面记录的结果证明，实现TIM和低膜表面粗糙度的热扩散，以提供从LED封装到环境的**传热。因此，MgO/ZnO复合固体薄膜可作为电子和照明应用的热界面材料。
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