LED散熱分析

　　圖1.光衰和結(jié)溫的關(guān)系

　　而且，結(jié)溫不但影響長(zhǎng)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。

　　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?cè)贚ED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。

　　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(guó)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＠南拗啤６倚阅苓€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(duì)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?jī)筛饘匐姌O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?jī)筛?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(duì)400-459nm的光線吸收率高達(dá)45%，很容易由于長(zhǎng)期吸收這種短波長(zhǎng)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(duì)同樣波長(zhǎng)光線的吸收率不到1%。從而可以把同樣光衰的壽命延長(zhǎng)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(hào)LED的熱阻

　　公司名稱芯片型號(hào)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

　　光寶(Lite-On)LTW-M670ZVS(3020)0.07W，20mA160

　　琉明斯30140.1W，30mA45

　　由表中可見，Cree公司的LED的熱阻因?yàn)椴捎昧颂蓟枳骰?，要比其他公司的熱阻至少低一倍。大功率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。

　　材料導(dǎo)熱系數(shù) W/mK

　　FR4 (普通印制板的玻璃纖維)0.2

　　氧化鋁17-27

　　氮化鋁170-230

　　金315

　　銀425

　　銅398

　　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制作，采用氧化鋁為基底的薄膜電路制備的具體過程如下：

　　圖6.薄膜電路的制備過程

　　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