大功率LED 散热问题的探讨

0 引言

1962 年LED 被开发，自此先后研发成功了橙色、蓝色、红色、绿色以及紫外、红外二极管，一开始可见光发光二极管被应用于显示光源，如道路标识灯、刹车灯、交通信号灯、大面积的彩色显示等等。当然，在LED 制造工艺的不断完善与进步，以及新型材料被广泛开发与应用以后，LED 从单色发展到了白色，并逐渐从信号显示转向照明光源，白光LED 半导体固体光源性能得到不断完善，目前已经进入了实用阶段。

1 LED 的原理

LED 的核心部分是由n 型半导体与p 型半导体组成的晶片，利用注入式发光原理制作而成。在n 型与p 型半导体之间，有一个p-n 结的过渡层，当注入的多数载流子和少数载流子复合时，多余的能量会以光的形式在某些半导体材料中释放出来，进而将电能转换成光能。如果反向加电压，那么难以注入少数载流子，因此也就不会发光。

LED 由周期表中的V 族元素与Ⅲ族元素组成，是由化合物半导体材料组成，如：磷化镓与砷化镓是单色LED 常用的材料。

目前，氮化镓是制造白光LED 的主要材料。对于GaN 薄膜材料，目前还没有体单晶GaN 可以同质外延，主要是依靠有机金属气象沉淀法，在相关的异型支撑衬底上来生成。在沉底上依次镀上n-A1GaN、p-A1GaN、n-GaN 等材料，然后使用一系列工艺过程，如：

封装、划片，来完成制造。这种工艺目前发展成熟，但由于蓝宝石是GaN 基LED 的主要衬底材料，所以能够替代它的衬底材料目前还未发现。

2 大功率LED 散热的重要性

传统管芯的功率比较小，需要散热也不多，所以在散热上，并没有什么严重问题，但大功率的LED 就不同了，它的芯片功率密度非常大。目前，由于半导体制造技术的原因，有80% 以上的输入功率转化为了热能，只有不到20% 转化成了光能。芯片的热量如果只是简单的按比例将封装尺寸放大，是无法散发出去的，且极有可能会导致焊锡融化，造成芯片失效，而加快荧光粉与芯片老化是必然会发生的情况，LED 的色度在温度上升时也会变差。对LED 来说散热具有非常重大的意义，一般要求结温在110° C 以下，这样才能保证器件的使用寿命。

目前，大功率LED 封装需要考虑的首要问题就是如何改进不断增大的芯片功率所带来的散热问题。目前，比较常用的改进LED 散热问题的方法有两种，分别是：加快散发内部热量，对LED的散热结构进行改进，使芯片的温度可以有效降低;从根本上减少热量的产生，提高芯片的发光效率，提高器件内量子效率。

3 加快LED 热量散发的常用方法

3.1 采用有良好导热性能的材料

不管是采用哪种装焊方式，都需要将芯片通过粘接材料来粘接到金属热沉上(图一所示)。也就是说，如果粘接材料能有更高的导热性能，就可以将粘接材料层的厚度减少，从而使器件的散热能力显着提高以及使倒装焊LED 的热阻显着降低。相关专业人士利用限元法对倒装大功率白光LED 的空间温度场分布进行了模拟计算，得到芯片温度的分布面图，发现了在底部金属热沉和芯片的粘接部分之间的温度差异较大，也就说明了这一区域存在有很大的热阻，如果我们在进行粘接时，能找到有更好导热性能的材料，那么器件的热阻会得到有效的降低。

3.2 采用倒装焊方式

目前，常用的倒装焊及正装焊LED 芯片功率结构示意图(如图一所示)。倒装焊芯片结构，是为了进一步提高功率型LED 器件的出光效率及散热能力而研发。器件热传导的介质采用热导率较高的Si 材料，将LED 芯片通过倒装焊技术键合在Si 衬底上，这是倒装焊结构的特点。倒装焊LED 芯片结构与正装焊结构相比，可以使热量直接由焊接层传至Si 衬底，不必经由蓝宝石衬底，再由粘接材料和Si 衬底直接传到金属底座。Si 材料的热导率也是比较高的，就进一步提升了其散热能力，可以有效降低器件的热阻。在提高器件的散热能力，降低热阻方面，倒装焊结构具有极为明显的潜在优势。

3.3 采用散热器进行散热

水冷、熟管技术、风冷、微管道散热等，是目前较为常用的散热技术。

风冷散热器对电子芯片的散热是最直接、简单、并且成本最低的散热方式。风冷散热器示意图，(如图二所示)。大多数中、低功耗的电子设备或者器件中，一般应用的都是空气冷气或者是强制风冷技术，因为风冷散热器原理非常的简单：就是将芯片耗散的热量通过粘接材料来传递到金属底座上，然后再由金属底座传递到散热片，最后通过强制对流或是自然对流的方式，热量就散发到空气中了。对流和传导是其重要的两种传热方式。我们可以采用以下方法加强对流散热和传导，将芯片耗散的热量在允许的温度条件下传递到大气环境。[!--empirenews.page--]

3.3.1 使散热增大

散热面积越大，散热器的热容量也就越大。对散热器散热效果具有重要影响的因素就是，不同的肋间距和肋片高度决定的对流面积。散热器的换热系数、内气流组织、应用特点等都受到肋片布局的直接影响。采用波纹状肋面所制造的紊流，可以进一步提高换热系数。

相关专家针对平板翅片方散热器当中存在的不足，提出了一种设有钉柱的复合型散热器。在相同的风速下，翅柱式散热器与板翅式散热器相比较，其表面Nusselt 数要高出30% 到45%.在相同的泵送功率下，翅柱式散热器与板翅式散热器相比，收益因子也要高出大约20%.由此可见，翅柱式散热器在工作情况大致相同的条件下，具有更好的散热性能、更可靠的性高、以及更低的使用成本，其使用价值在冷却电子设备当中相对较高。

3.3.2 使用导热性能相对较好的材料制作散热器

铜和铝成为了目前常用的散热器材料，相对来说，铝的密度小，导热性能较好，成本低且加工方便。铜的导热率比铝要大，由纯铜打造的散热器很多都具有超强散热能力，但是铜材料易氧化，加工和材料本身成本都较高。综合铜和铝各自的特点，使用铝来做散热片，铜做底部，具有良好经济性和较高的散热性能的复合型散热器就此出现。

3.3.3 强迫冷风

为了改善气流组织、改善散热效果、加快散热片周围空气的流动、提高对流换热系数，要选择合适的鼓风机或风扇。

相对来说水冷(液冷)的散热效率是比较高的，而且和风冷散热相比，没有高噪音缺点，热传导率也能达到传统风冷的20 倍以上，在解决噪音和降温当中，效果明显。循环管、散热片、微型水泵、循环管，水冷散热装置可大致分为以上四个部分。水冷散热的工作原理(图三所示)比较简单，散热装置通过泵来产生动力，从而将液体在密闭系统中循环推动，通过液体的不断循环来将吸热和芯片所产生的热量，传递到表面积更大的散热装置当中，是一个密闭的液体循环散热装置。液体冷却之后会从新回流到吸热设备当中，如此循环往复的工作。

4 结论

对于单芯片的LED 来说，散热片的数量越多，其散热面积就越大，芯片的热阻和结温也就越低。减小粘接材料的厚度，增大粘接材料的导热率，可降低芯片的热阻和结温，有利于散发芯片的热量。增加肋片的数量，增大肋片的直径，对降低芯片的热阻和结温极为有利。随着散热面积的增大，当散热面积较小时，芯片的热阻和结温会急剧下降，散热面积在增大到0.012 平方米时，随着面积的增大芯片的热阻和结温会随之降低，散热面积继续增大到0.024 平方米时，如果散热面积再继续增大，那么芯片的热阻和结温也不会随之降低。随着环境温度的升高芯片结温会随之直线上升，同一个散热器的热阻不会受到环境温度的影响。随着加载功率的增大，芯片结温会直线性增大，对于热阻加载功率只有很小的影响。