如何改善LED散熱性能

因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/散熱">散熱裝置與印刷電路板之間的細(xì)致精密性直接左右導(dǎo)熱效果，因?yàn)檫@個(gè)印刷電路板的預(yù)設(shè)變得十分復(fù)雜。

為了減低熱阻抗，很多海外LED廠商將LED芯片設(shè)置在銅與瓷陶材料制成的散熱裝置（heat sink）外表，繼續(xù)再用燒焊形式將印刷電路板的散熱用導(dǎo)線連署到利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)迫空冷的散熱裝置上。因?yàn)闁|芝Lighting領(lǐng)有浩博的試著制做經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)檫@個(gè)該企業(yè)表達(dá)因?yàn)槟M剖析技術(shù)的進(jìn)步提高，2006年在這以后超過(guò)60lm/W的白光LED，都可以輕松利用燈具、框體增長(zhǎng)導(dǎo)熱性，或是利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)迫空冷形式預(yù)設(shè)照明設(shè)施的散熱，不必特別散熱技術(shù)的板塊結(jié)構(gòu)也能夠運(yùn)用白光LED。

Lumileds于2005年著手制作的高功率LED芯片，結(jié)合容許溫度更高達(dá)+185℃，比其他企業(yè)同級(jí)產(chǎn)品高60℃，利用傳統(tǒng)RF 4印刷電路板封裝時(shí)，四周圍背景溫度40℃范圍內(nèi)可以輸入相當(dāng)于1.5W電力的電流（約是400mA）。這也是LED廠商完全一樣認(rèn)為合適而使用瓷陶系與金屬系封裝材料主要端由?？v然封裝技術(shù)準(zhǔn)許高卡路里，然而LED芯片的結(jié)合溫度卻可能超過(guò)容許值，最終業(yè)者終于了悟到解決封裝的散熱問(wèn)題才是根本辦法。

三種主流LED封裝散熱結(jié)構(gòu)

LED封裝光源的散熱問(wèn)題，一直是LED產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中遇到非常重要的問(wèn)題，特別是散熱材料的選用，一直是工程師的難題。因?yàn)楫a(chǎn)品材料的導(dǎo)熱性能就非常之關(guān)鍵。

就目前而言，陶瓷材料是導(dǎo)熱性能非常好的材料，它有導(dǎo)熱率高，良好的物量性能（不不收縮，不變形），良好的絕緣性能與導(dǎo)熱性能。因此，采用陶瓷材料將是未來(lái)LED產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的主流趨勢(shì)！

下面對(duì)幾種LED封裝常用材料的相關(guān)參數(shù)、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。并圖解了LED封裝常用陶瓷支架的生產(chǎn)原理。

LED封裝常用材料相關(guān)參數(shù)對(duì)比圖

從提供的資料看，所用的陶瓷材料是三氧化二鋁，我認(rèn)為用它替代銅，簡(jiǎn)直是技術(shù)倒退！除非你打算讓LED的芯片工作到150度以上的溫度。大家實(shí)測(cè)一下圖中第一和第二種結(jié)構(gòu)芯片的溫度就知道那種陶瓷的不好了。

大家要明白，電子工業(yè)中采用所謂“導(dǎo)熱陶瓷”（實(shí)際導(dǎo)熱遠(yuǎn)不如銅、鋁等金屬）的目的是什么。并非是它導(dǎo)熱比常用的導(dǎo)熱金屬的導(dǎo)熱能力強(qiáng)，而是在于陶瓷的絕緣性能和低的膨脹系數(shù)。當(dāng)這兩項(xiàng)參數(shù)不是問(wèn)題時(shí)，使用陶瓷絕對(duì)無(wú)益。導(dǎo)熱好的陶瓷導(dǎo)熱性能不如銅，與鋁相當(dāng)，價(jià)格高，加工難，脆性大，不抗震動(dòng)。

提示一下，有興趣的可以去看看下面幾種材料的性能再回來(lái)看這個(gè)帖子。氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁、純銅、純鋁、散熱用的幾種合金鋁、鋁基板及鋁基板的絕緣層，等等。好好學(xué)習(xí)一下這些材料的物理特性，再了解一下它們的價(jià)格。

LED熱隔離封裝技術(shù)及對(duì)光電性能的改善

在傳統(tǒng)的白光LED封裝結(jié)構(gòu)中，熒光粉直接涂覆于芯片上面，工作時(shí)，芯片釋放的熱量直接加載在熒光粉上面，導(dǎo)致了熒光粉的溫升，使得熒光粉在高溫下轉(zhuǎn)化效率降低。而在熒光粉與芯片之間引入一層低導(dǎo)熱的熱隔離層能夠有效的阻止芯片的熱量直接加載到熒光粉上，降低了熒光粉層溫度，使得白光LED在大電流注入下都能保持較高的流明效率。除了芯片釋放的熱量之外，涂覆的熒光粉受藍(lán)光激發(fā)時(shí)，因熒光粉的轉(zhuǎn)化效率尚未達(dá)到100%，另外由于散射等其它損耗的存在，熒光粉顆粒本身也會(huì)有少量的熱量釋放，容易形成局域熱量累積，為此當(dāng)熒光粉材料轉(zhuǎn)化效率較低時(shí)，還需為熒光粉提供散熱通道，防止熒光粉顆粒局域熱的生成。下面通過(guò)傳統(tǒng)熒光粉涂覆方式和熱隔離封裝方式兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)比了解兩種結(jié)構(gòu)中芯片和熒光粉的熱相互作用。

1.LED芯片對(duì)熒光粉的加熱

為了*價(jià)LED芯片對(duì)熒光粉熱性能方面的影響，我們制作了兩組白光LED封裝結(jié)構(gòu)，一組采用傳統(tǒng)的熒光粉涂覆方式，另一組采用熱隔離的熒光粉涂覆方式，圖1是該熱隔離封裝結(jié)構(gòu)的剖面制樣圖。

圖1 傳統(tǒng)白光LED橫截面圖示(a)熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)(b)，h=1mm

熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)是通過(guò)熒光粉覆膜的方式實(shí)現(xiàn)的。熒光粉覆膜技術(shù)是我們提出的一種新型熒光粉涂覆方法，即根據(jù)出光要求設(shè)計(jì)好熒光粉膜層的結(jié)構(gòu)，在專用模具內(nèi)完成熒光粉膜層的成型，剝離后，將熒光粉膜層轉(zhuǎn)移到LED芯片上方，同時(shí)LED芯片和熒光粉膜層中間還有一層低導(dǎo)熱系數(shù)的硅膠層。為了表明兩種封裝結(jié)構(gòu)熱性能上的差別，我們比較了兩種封裝結(jié)構(gòu)表面的溫度分布圖。圖2是兩種封裝結(jié)構(gòu)在200、350和500mA直流驅(qū)動(dòng)下表面IR Camera測(cè)得溫度徑向分布。在200 mA驅(qū)動(dòng)電流下時(shí)，熱隔離封裝結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)封裝方式中心溫度低1.6℃。在350mA和500mA注入電流下時(shí)，熒光粉層的溫差分別達(dá)到了8.5℃和16.8℃，并且在500mA注入電流下時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熒光粉的表層最高溫度已經(jīng)達(dá)到130.2℃。另外，熱隔離封裝結(jié)構(gòu)整個(gè)熒光粉表層的溫度都很均勻，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中熒光粉中心溫度較高，在大電流時(shí)尤為明顯。

我們通過(guò)有限元模擬來(lái)分析封裝結(jié)構(gòu)中的參數(shù)變化對(duì)白光LED性能的影響。結(jié)果表明，可以通過(guò)封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及封裝材料熱導(dǎo)率調(diào)整來(lái)調(diào)控?zé)晒夥蹖拥臏囟?。圖3是LED熱隔離封裝結(jié)構(gòu)中的溫度縱向分布，熒光粉層的溫度通過(guò)引入的熱隔離硅膠層大大降低了。