大功率LED 散熱問(wèn)題的探討

0 引言

1962 年LED 被開(kāi)發(fā)，自此先后研發(fā)成功了橙色、藍(lán)色、紅色、綠色以及紫外、紅外二極管，一開(kāi)始可見(jiàn)光發(fā)光二極管被應(yīng)用于顯示光源，如道路標(biāo)識(shí)燈、剎車(chē)燈、交通信號(hào)燈、大面積的彩色顯示等等。當(dāng)然，在LED 制造工藝的不斷完善與進(jìn)步，以及新型材料被廣泛開(kāi)發(fā)與應(yīng)用以后，LED 從單色發(fā)展到了白色，并逐漸從信號(hào)顯示轉(zhuǎn)向照明光源，白光LED 半導(dǎo)體固體光源性能得到不斷完善，目前已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段。

1 LED 的原理

LED 的核心部分是由n 型半導(dǎo)體與p 型半導(dǎo)體組成的晶片，利用注入式發(fā)光原理制作而成。在n 型與p 型半導(dǎo)體之間，有一個(gè)p-n 結(jié)的過(guò)渡層，當(dāng)注入的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，多余的能量會(huì)以光的形式在某些半導(dǎo)體材料中釋放出來(lái)，進(jìn)而將電能轉(zhuǎn)換成光能。如果反向加電壓，那么難以注入少數(shù)載流子，因此也就不會(huì)發(fā)光。

LED 由周期表中的V 族元素與Ⅲ族元素組成，是由化合物半導(dǎo)體材料組成，如：磷化鎵與砷化鎵是單色LED 常用的材料。

目前，氮化鎵是制造白光LED 的主要材料。對(duì)于GaN 薄膜材料，目前還沒(méi)有體單晶GaN 可以同質(zhì)外延，主要是依靠有機(jī)金屬氣象沉淀法，在相關(guān)的異型支撐襯底上來(lái)生成。在沉底上依次鍍上n-A1GaN、p-A1GaN、n-GaN 等材料，然后使用一系列工藝過(guò)程，如：

封裝、劃片，來(lái)完成制造。這種工藝目前發(fā)展成熟，但由于藍(lán)寶石是GaN 基LED 的主要襯底材料，所以能夠替代它的襯底材料目前還未發(fā)現(xiàn)。

2 大功率LED 散熱的重要性

傳統(tǒng)管芯的功率比較小，需要散熱也不多，所以在散熱上，并沒(méi)有什么嚴(yán)重問(wèn)題，但大功率的LED 就不同了，它的芯片功率密度非常大。目前，由于半導(dǎo)體制造技術(shù)的原因，有80% 以上的輸入功率轉(zhuǎn)化為了熱能，只有不到20% 轉(zhuǎn)化成了光能。芯片的熱量如果只是簡(jiǎn)單的按比例將封裝尺寸放大，是無(wú)法散發(fā)出去的，且極有可能會(huì)導(dǎo)致焊錫融化，造成芯片失效，而加快熒光粉與芯片老化是必然會(huì)發(fā)生的情況，LED 的色度在溫度上升時(shí)也會(huì)變差。對(duì)LED 來(lái)說(shuō)散熱具有非常重大的意義，一般要求結(jié)溫在110° C 以下，這樣才能保證器件的使用壽命。

目前，大功率LED 封裝需要考慮的首要問(wèn)題就是如何改進(jìn)不斷增大的芯片功率所帶來(lái)的散熱問(wèn)題。目前，比較常用的改進(jìn)LED 散熱問(wèn)題的方法有兩種，分別是：加快散發(fā)內(nèi)部熱量，對(duì)LED的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使芯片的溫度可以有效降低;從根本上減少熱量的產(chǎn)生，提高芯片的發(fā)光效率，提高器件內(nèi)量子效率。

3 加快LED 熱量散發(fā)的常用方法

3.1 采用有良好導(dǎo)熱性能的材料

不管是采用哪種裝焊方式，都需要將芯片通過(guò)粘接材料來(lái)粘接到金屬熱沉上(圖一所示)。也就是說(shuō)，如果粘接材料能有更高的導(dǎo)熱性能，就可以將粘接材料層的厚度減少，從而使器件的散熱能力顯著提高以及使倒裝焊LED 的熱阻顯著降低。相關(guān)專業(yè)人士利用限元法對(duì)倒裝大功率白光LED 的空間溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到芯片溫度的分布面圖，發(fā)現(xiàn)了在底部金屬熱沉和芯片的粘接部分之間的溫度差異較大，也就說(shuō)明了這一區(qū)域存在有很大的熱阻，如果我們?cè)谶M(jìn)行粘接時(shí)，能找到有更好導(dǎo)熱性能的材料，那么器件的熱阻會(huì)得到有效的降低。

3.2 采用倒裝焊方式

目前，常用的倒裝焊及正裝焊LED 芯片功率結(jié)構(gòu)示意圖(如圖一所示)。倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)，是為了進(jìn)一步提高功率型LED 器件的出光效率及散熱能力而研發(fā)。器件熱傳導(dǎo)的介質(zhì)采用熱導(dǎo)率較高的Si 材料，將LED 芯片通過(guò)倒裝焊技術(shù)鍵合在Si 襯底上，這是倒裝焊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。倒裝焊LED 芯片結(jié)構(gòu)與正裝焊結(jié)構(gòu)相比，可以使熱量直接由焊接層傳至Si 襯底，不必經(jīng)由藍(lán)寶石襯底，再由粘接材料和Si 襯底直接傳到金屬底座。Si 材料的熱導(dǎo)率也是比較高的，就進(jìn)一步提升了其散熱能力，可以有效降低器件的熱阻。在提高器件的散熱能力，降低熱阻方面，倒裝焊結(jié)構(gòu)具有極為明顯的潛在優(yōu)勢(shì)。

3.3 采用散熱器進(jìn)行散熱

水冷、熟管技術(shù)、風(fēng)冷、微管道散熱等，是目前較為常用的散熱技術(shù)。

風(fēng)冷散熱器對(duì)電子芯片的散熱是最直接、簡(jiǎn)單、并且成本最低的散熱方式。風(fēng)冷散熱器示意圖，(如圖二所示)。大多數(shù)中、低功耗的電子設(shè)備或者器件中，一般應(yīng)用的都是空氣冷氣或者是強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)，因?yàn)轱L(fēng)冷散熱器原理非常的簡(jiǎn)單：就是將芯片耗散的熱量通過(guò)粘接材料來(lái)傳遞到金屬底座上，然后再由金屬底座傳遞到散熱片，最后通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流或是自然對(duì)流的方式，熱量就散發(fā)到空氣中了。對(duì)流和傳導(dǎo)是其重要的兩種傳熱方式。我們可以采用以下方法加強(qiáng)對(duì)流散熱和傳導(dǎo)，將芯片耗散的熱量在允許的溫度條件下傳遞到大氣環(huán)境。