LED的散熱

由表中可見(jiàn)，Cree公司的LED的熱阻因?yàn)椴捎昧颂蓟枳骰祝绕渌镜臒嶙柚辽俚鸵槐?。大功?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LED">LED為了改進(jìn)散熱通常在基底下面再放一塊可焊接的銅底板以便焊到散熱器上去。這些熱阻實(shí)際上都是在這個(gè)銅底板上測(cè)得的。

是不是碳化硅就是LED襯底的最佳選擇呢，不是這樣，任何事物都會(huì)有創(chuàng)新和發(fā)展的，最近臺(tái)灣的鉆石科技開(kāi)發(fā)出了鉆石島外延片(DiamondIslandsWafer，DIW)做為生產(chǎn)超級(jí)LED的基材。這種LED的熱阻可以低至5°C/W。用它制成的超級(jí)LED可發(fā)出極強(qiáng)的紫外光，其強(qiáng)度不因高溫而降低，反而會(huì)更亮。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4.采用類鉆碳(DiamondLikeCarbon，DLC)的鍍膜可以大大改善LED的散熱

圖5.用DLC鍍膜和鋁結(jié)合可以比其它結(jié)構(gòu)的LED有更好的散熱特性

而且采用紫外線來(lái)激發(fā)各種熒光粉也可以得到所需要的各種顏色的LED。而且熒光粉不是采用和環(huán)氧樹(shù)脂或硅膠混合的方法而是直接涂于芯片表面還可以避免由于環(huán)氧樹(shù)脂和硅膠的老化而產(chǎn)生的光衰。

這將會(huì)使整個(gè)LED產(chǎn)生革命性變化。而且擺脫了日美等國(guó)的專利束縛。

三.集成LED的散熱

現(xiàn)在有不少?gòu)S商把很多LED晶粒集成在一起以得到大功率的LED。這種LED的功率可以達(dá)到5W以上，大多以10W，25W，和50W的功率等級(jí)出現(xiàn)。為了把多個(gè)LED晶粒（以共晶（Eutectic）或覆晶（Flip-Chip）封裝）連接在一起，因?yàn)檫@些晶粒極為精細(xì)，所以需要采用精確的印制電路進(jìn)行連接。為了得到更好的散熱特性，通常采用陶瓷基板。這種陶瓷基板是由氧化鋁和氮化鋁構(gòu)成。各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)如下表所示。

不論氮化鋁還是氧化鋁，它們都是一種絕緣的陶瓷材料，所以可以把印制電路做在上面。但是氮化鋁具有高10倍的導(dǎo)熱系數(shù)，所以現(xiàn)在更常用氮化鋁。過(guò)去采用厚膜電路，但是其表面不平，電路邊緣毛糙，而且需要800°C以上的燒結(jié)溫度。現(xiàn)在大多采用薄膜電路，因?yàn)樗恍枰?00度以下的工藝，表面平整度可以0.3um，不會(huì)有氧化物生成，附著性好，電路精細(xì)，誤差低于+/-1%。它實(shí)際上是采用照相刻蝕的方法來(lái)制作，采用氧化鋁為基底的薄膜電路制備的具體過(guò)程如下：

圖6.薄膜電路的制備過(guò)程

采用氮化鋁的制作方法相同。

第二部分LED燈具的散熱

前面講的是LED芯片的散熱，然而任何LED都會(huì)制成燈具，所以LED芯片所產(chǎn)生的熱量最后總是通過(guò)燈具的外殼散到空氣中去。如果散熱不好，因?yàn)長(zhǎng)ED芯片的熱容量很小，一點(diǎn)點(diǎn)熱量的積累就會(huì)使得芯片的結(jié)溫迅速提高，如果長(zhǎng)時(shí)期工作在高結(jié)溫的狀態(tài)，它的壽命就會(huì)很快縮短。然而這些熱量要能夠真正引導(dǎo)出芯片到達(dá)外部空氣，要經(jīng)過(guò)很多途徑。具體來(lái)說(shuō)，LED芯片所產(chǎn)生的熱，從它的金屬散熱塊出來(lái)，先經(jīng)過(guò)焊料到鋁基板的PCB，再通過(guò)導(dǎo)熱膠才到鋁散熱器。所以LED燈具的散熱實(shí)際上包括導(dǎo)熱和散熱兩個(gè)部分?，F(xiàn)在先來(lái)看一下每一個(gè)環(huán)節(jié)的導(dǎo)熱性能。

四.各種電路基板的導(dǎo)熱

在把LED連接到散熱器之前，首先要把它們焊接到電路中去，因?yàn)槭紫纫堰@些LED連接成幾串幾并，同時(shí)還要把他們和恒流源在電路上連接起來(lái)。最簡(jiǎn)單的辦法是把它們直接焊接到普通印制板上去。對(duì)于一些很小功率的LED，例如LED指示燈的確是可以這樣做的。但是對(duì)于大多數(shù)高亮度和高功率LED來(lái)說(shuō)，普通玻璃纖維印制板的導(dǎo)熱性能就顯得太差了，而必須改成用銅基板或鋁基板甚至陶瓷覆銅板。各種基板的性能如下：

4.1鋁基板

目前幾乎絕大多數(shù)的LED燈具中都采用了鋁基板。鋁基板上電路的銅箔為了要導(dǎo)電和導(dǎo)熱要有足夠的厚度和寬度，其厚度在35μm-280μm之間。其寬度最好盡可能布滿整個(gè)基板，以便把熱傳下去。而下面一層絕緣體則要求其絕緣性能很好，而且還要導(dǎo)熱性能很好。然而這兩個(gè)性能是矛盾的，通常都是導(dǎo)體的導(dǎo)熱性能好，而絕緣體的導(dǎo)熱性能差。又要導(dǎo)熱好又要絕緣好是很難做到的。也是一種科研的課題。目前采用的是一種摻有陶瓷填充物的改性環(huán)氧樹(shù)脂或環(huán)氧玻璃布粘結(jié)片。通過(guò)熱壓把銅箔絕緣體和鋁板粘結(jié)起來(lái)。有一些LED燈具，雖然散熱器是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，但是很快就壞，問(wèn)題就是出在采用了熱阻很大的鋁基板或是剝離強(qiáng)度很差的鋁基板。用一段時(shí)間，電路薄膜就翹了起來(lái)，也就完全無(wú)法導(dǎo)熱，很快就燒壞LED。

對(duì)于優(yōu)質(zhì)鋁基板通常要求其熱阻小于1°C/W。下表是某種鋁基板的規(guī)格：

國(guó)外和臺(tái)灣已經(jīng)能夠生產(chǎn)一種“全膠鋁基板”。所謂全膠是指它的絕緣層完全不用絕緣布，而是用一種絕緣膠。采用絕緣布的鋁基板的熱阻實(shí)際上通常在1.7-3.2°C/W。而采用全膠的鋁基板的熱阻可以做到0.05°C/W，市場(chǎng)出售的商品也可以低至0.2-0.5°C/W。

一種性能更好的鋁基板是采用直接在鋁板上生成陶瓷印制電路。先在鋁的表面用微弧氧化生長(zhǎng)一層100μm厚的氧化鋁薄膜，再用濺射或絲網(wǎng)印刷制作電路層。采用這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合力強(qiáng)，而且導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2.1W/m.K，而且氧化層的熱膨脹系數(shù)和鋁差不多，所以它的剝離強(qiáng)度高達(dá)5N/mm以上。只是因?yàn)檫@種陶瓷鋁基板的加工制造過(guò)程復(fù)雜，成本高，所以還很少采用。

雖然鋁基板只是一種特殊的印制板，但是它卻承擔(dān)著很重的散熱任務(wù)，不僅絕緣層的導(dǎo)熱要好，粘結(jié)要