大功率LED散熱問題的探討

　　大功率LED 得以廣泛應(yīng)用，主要由于其壽命長、體積小、電轉(zhuǎn)化效率以及高色溫等特點。但是在LED 的推廣應(yīng)用中，高效穩(wěn)定的散熱問題成為了重要阻礙。本文著重對大功率LED 的散熱問題進(jìn)行了探討。

　　0 引言

　　1962 年LED 被開發(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，一開始可見光發(fā)光二極管被應(yīng)用于顯示光源，如道路標(biāo)識燈、剎車燈、交通信號燈、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p-n 結(jié)的過渡層，當(dāng)注入的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子復(fù)合時，多余的能量會以光的形式在某些半導(dǎo)體材料中釋放出來，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。對于GaN 薄膜材料，目前還沒有體單晶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程，如：

　　封裝、劃片，來完成制造。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，并沒有什么嚴(yán)重問題，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單的按比例將封裝尺寸放大，是無法散發(fā)出去的，且極有可能會導(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發(fā)生的情況，LED 的色度在溫度上升時也會變差。對LED 來說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題就是如何改進(jìn)不斷增大的芯片功率所帶來的散熱問題。目前，比較常用的改進(jìn)LED 散熱問題的方法有兩種，分別是：加快散發(fā)內(nèi)部熱量，對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，都需要將芯片通過粘接材料來粘接到金屬熱沉上（圖一所示）。也就是說，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)人士利用限元法對倒裝大功率白光LED 的空間溫度場分布進(jìn)行了模擬計算，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，也就說明了這一區(qū)域存在有很大的熱阻，如果我們在進(jìn)行粘接時，能找到有更好導(dǎo)熱性能的材料，那么器件的熱阻會得到有效的降低。

　　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。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。

　　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)冷散熱器對電子芯片的散熱是最直接、簡單、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)，因為風(fēng)冷散熱器原理非常的簡單：就是將芯片耗散的熱量通過粘接材料來傳遞到金屬底座上，然后再由金屬底座傳遞到散熱片，最后通過強(qiáng)制對流或是自然對流的方式，熱量就散發(fā)到空氣中了。對流和傳導(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。

　　3.3.1 使散熱增大

　　散熱面積越大，散熱器的熱容量也就越大。對散熱器散熱效果具有重要影響的因素就是，不同的肋間距和肋片高度決定的對流面積。散熱器的換熱系數(shù)、內(nèi)氣流組織、應(yīng)用特點等都受到肋片布局的直接影響。采用波紋狀肋面所制造的紊流，可以進(jìn)一步提高換熱系數(shù)。

　　相關(guān)專家針對平板翅片方散熱器當(dāng)中存在的不足，提出了一種設(shè)有釘柱的復(fù)合型散熱器。在相同的風(fēng)速下，翅柱式散熱器與板翅式散熱器相比較，其表面Nusselt 數(shù)要高出30% 到45%.在相同的泵送功率下，翅柱式散熱器與板翅式散熱器相比，收益因子也要高出大約20%.由此可見，翅柱式散熱器在工作情況大致相同的條件下，具有更好的散熱性能、更可靠的性高、以及更低的使用成本，其使用價值在冷卻電子設(shè)備當(dāng)中相對較高。

　　3.3.2 使用導(dǎo)熱性能相對較好的材料制作散熱器

　　銅和鋁成為了目前常用的散熱器材料，相對來說，鋁的密度小，導(dǎo)熱性能較好，成本低且加工方便。銅的導(dǎo)熱率比鋁要大，由純銅打造的散熱器很多都具有超強(qiáng)散熱能力，但是銅材料易氧化，加工和材料本身成本都較高。綜合銅和鋁各自的特點，使用鋁來做散熱片，銅做底部，具有良好經(jīng)濟(jì)性和較高的散熱性能的復(fù)合型散熱器就此出現(xiàn)。

　　3.3.3 強(qiáng)迫冷風(fēng)

　　為了改善氣流組織、改善散熱效果、加快散熱片周圍空氣的流動、提高對流換熱系數(shù)，要選擇合適的鼓風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇。

　　相對來說水冷（液冷）的散熱效率是比較高的，而且和風(fēng)冷散熱相比，沒有高噪音缺點，熱傳導(dǎo)率也能達(dá)到傳統(tǒng)風(fēng)冷的20 倍以上，在解決噪音和降溫當(dāng)中，效果明顯。循環(huán)管、散熱片、微型水泵、循環(huán)管，水冷散熱裝置可大致分為以上四個部分。水冷散熱的工作原理（圖三所示）比較簡單，散熱裝置通過泵來產(chǎn)生動力，從而將液體在密閉系統(tǒng)中循環(huán)推動，通過液體的不斷循環(huán)來將吸熱和芯片所產(chǎn)生的熱量，傳遞到表面積更大的散熱裝置當(dāng)中，是一個密閉的液體循環(huán)散熱裝置。液體冷卻之后會從新回流到吸熱設(shè)備當(dāng)中，如此循環(huán)往復(fù)的工作。

　　4 結(jié)論

　　對于單芯片的LED 來說，散熱片的數(shù)量越多，其散熱面積就越大，芯片的熱阻和結(jié)溫也就越低。減小粘接材料的厚度，增大粘接材料的導(dǎo)熱率，可降低芯片的熱阻和結(jié)溫，有利于散發(fā)芯片的熱量。增加肋片的數(shù)量，增大肋片的直徑，對降低芯片的熱阻和結(jié)溫極為有利。隨著散熱面積的增大，當(dāng)散熱面積較小時，芯片的熱阻和結(jié)溫會急劇下降，散熱面積在增大到0.012 平方米時，隨著面積的增大芯片的熱阻和結(jié)溫會隨之降低，散熱面積繼續(xù)增大到0.024 平方米時，如果散熱面積再繼續(xù)增大，那么芯片的熱阻和結(jié)溫也不會隨之降低。隨著環(huán)境溫度的升高芯片結(jié)溫會隨之直線上升，同一個散熱器的熱阻不會受到環(huán)境溫度的影響。隨著加載功率的增大，芯