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LED的散熱

作者： 時(shí)間：2011-03-12 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏
LED的散熱現(xiàn)在越來越為人們所重視，這是因?yàn)?U>LED的光衰或其壽命是直接和其結(jié)溫有關(guān)，散熱不好結(jié)溫就高，壽命就短，依照阿雷紐斯法則溫度每降低10℃壽命會(huì)延長2倍。從Cree公司發(fā)布的光衰和結(jié)溫的關(guān)系圖（圖1）中可以看出，結(jié)溫假如能夠控制在65°C，那么其光衰至70％的壽命可以高達(dá)10萬小時(shí)！這是人們夢寐以求的壽命，可是真的可以實(shí)現(xiàn)嗎？是的，只要能夠認(rèn)真地處理它的散熱問題就有可能做到！遺憾的是，現(xiàn)在實(shí)際的LED燈的散熱和這個(gè)要求相去甚遠(yuǎn)！以致LED燈具的壽命變成了一個(gè)影響其性能的主要問題，所以必須要認(rèn)真對待！

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圖1.光衰和結(jié)溫的關(guān)系

而且，結(jié)溫不但影響長時(shí)間壽命，也還直接影響短時(shí)間的發(fā)光效率，例如Cree公司的XLamp7090XR-E的發(fā)光量和結(jié)溫的關(guān)系如圖2所示。

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圖2.結(jié)溫和發(fā)光量的關(guān)系

假如以結(jié)溫為25度時(shí)的發(fā)光為100%，那么結(jié)溫上升至60度時(shí)，其發(fā)光量就只有90%；結(jié)溫為100度時(shí)就下降到80%；140度就只有70%?？梢姼纳粕幔刂平Y(jié)溫是十分重要的事。

除此以外LED的發(fā)熱還會(huì)使得其光譜移動(dòng)；色溫升高；正向電流增大（恒壓供電時(shí)）；反向電流也增大；熱應(yīng)力增高；熒光粉環(huán)氧樹脂老化加速等等種種問題，所以說，LED的散熱是LED燈具的設(shè)計(jì)中最為重要的一個(gè)問題。

第一部分LED芯片的散熱

一.結(jié)溫是怎么產(chǎn)生的

LED發(fā)熱的原因是因?yàn)樗尤氲碾娔懿]有全部轉(zhuǎn)化為光能，而是一部分轉(zhuǎn)化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W，其電光轉(zhuǎn)換效率大約只有20~30%左右。也就是說大約70%的電能都變成了熱能。

具體來說，LED結(jié)溫的產(chǎn)生是由于兩個(gè)因素所引起的。

1．內(nèi)部量子效率不高，也就是在電子和空穴復(fù)合時(shí)，并不能100％都產(chǎn)生光子，通常稱為由“電流泄漏”而使PN區(qū)載流子的復(fù)合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率，也就是轉(zhuǎn)化為熱能，但這部分不占主要成分，因?yàn)楝F(xiàn)在內(nèi)部光子效率已經(jīng)接近90％。

2．內(nèi)部產(chǎn)生的光子無法全部射出到芯片外部而最后轉(zhuǎn)化為熱量，這部分是主要的，因?yàn)槟壳斑@種稱為外部量子效率只有30％左右，大部分都轉(zhuǎn)化為熱量了。

雖然白熾燈的光效很低，只有15lm/W左右，但是它幾乎將所有的電能都轉(zhuǎn)化為光能而輻射出去，因?yàn)榇蟛糠值妮椛淠苁羌t外線，所以光效很低，但是卻免除了散熱的問題。

二.LED芯片到底板的散熱

LED芯片的特點(diǎn)是在極小的體積內(nèi)產(chǎn)生極高的熱量。而LED本身的熱容量很小，所以必須以最快的速度把這些熱量傳導(dǎo)出去，否則就會(huì)產(chǎn)生很高的結(jié)溫。為了盡可能地把熱量引出到芯片外面，人們在LED的芯片結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了很多改進(jìn)。

為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的改進(jìn)就是采用導(dǎo)熱更好的襯底材料。早期的LED只是采用Si硅作為襯底。后來就改為藍(lán)寶石作為襯底。但是藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱性能不是太好，（在100°C時(shí)約為25W/（m-K）），為了改善襯底的散熱，Cree公司采用碳化硅硅襯底，它的導(dǎo)熱性能（490W/（m-K））要比藍(lán)寶石高將近20倍。而且藍(lán)寶石要使用銀膠固晶，而銀膠的導(dǎo)熱也很差。而碳化硅的唯一缺點(diǎn)是成本比較貴。目前只有Cree公司生產(chǎn)以碳化硅為襯底的LED。

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圖3.藍(lán)寶石和碳化硅襯底的LED結(jié)構(gòu)圖

采用碳化硅作為基底以后，的確可以大為改善其散熱，但是其成本過高，而且有專利保護(hù)。最近國內(nèi)的廠商開始采用硅材料作為基底。因?yàn)楣璨牧系幕撞皇軐＠南拗?。而且性能還優(yōu)于藍(lán)寶石。唯一的問題是GaN的膨脹系數(shù)和硅相差太大而容易發(fā)生龜裂，解決的方法是在中間加一層氮化鋁（AlN）作緩沖。

襯底材料導(dǎo)熱系數(shù) W/(m·K)膨脹系數(shù) (x10E-6)穩(wěn)定性導(dǎo)熱性成本ESD (抗靜電)
碳化硅(SiC)490-1.4良好高好
藍(lán)寶石(Al2O3)461.9一般差為SiC的1/10一般
硅(Si)1505~20良好為藍(lán)寶石的1/10好

LED芯片封裝以后，從芯片到管腳的熱阻就是在應(yīng)用時(shí)最重要的一個(gè)熱阻，一般來說,芯片的接面面積的大小是散熱的關(guān)鍵，對于不同的額定功率，要求有相應(yīng)大小的接面面積。也就表現(xiàn)為不同的熱阻。幾種類型的LED的熱阻如下所示：

類型草帽管食人魚1W面發(fā)光
熱阻 oK/W150-200508-155

早期的LED芯片主要靠兩根金屬電極而引出到芯片外部，最典型的就是稱為ф5或F5的草帽管，它的散熱完全靠兩根細(xì)細(xì)的金屬導(dǎo)線引出去，所以散熱效果很差，熱阻很大，這也就是為什么這種草帽管的光衰很嚴(yán)重的原因。此外，封裝時(shí)采用的材料也是一個(gè)很重要的問題。小功率LED通常采用環(huán)氧樹脂作為封裝材料，但是環(huán)氧樹脂對400-459nm的光線吸收率高達(dá)45%，很容易由于長期吸收這種短波長光線以后產(chǎn)生的老化而使光衰嚴(yán)重，50%光衰的壽命不到1萬小時(shí)。因而在大功率LED中必須采用硅膠作為封裝材料。硅膠對同樣波長光線的吸收率不到1%。從而可以把同樣光衰的壽命延長到4萬小時(shí)。

下面列出各家LED芯片公司所生產(chǎn)的各種型號LED的熱阻

    公司名稱芯片型號芯片類型熱阻 °C/W
    億光EHP53931W冷白13
    億光EHP－A08L/UT011W，5600K15
    愛迪生Edixeon S series1W，5K-8K13-14
    愛迪生Edixeon K series1W,8
    LumenledLuxeon Emitter1W，4.5K-5.5K15
    NichiaNJSL036AT1W，30
    CreeXLamp7090XR-E1W8
    CreeXLampXP-G1W6
    小功率LED
    光寶（Lite-On）LTW-M670ZVS（3020）0.07W，20mA160
    琉明斯30140.1W，30mA
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