LED散热(芯片、散热基板、散热器).docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径学海无涯苦作舟页码：LED散熱(芯片、散熱基板、散熱器)LED的散熱現在越來越為人們所重視這是因為LED的光衰或其壽命是直接和其結溫有關散熱不好結溫就高壽命就短依照阿雷紐斯法則溫度每降低10℃壽命會延長2倍。從Cree公司發佈的光衰和結溫的關係圖（圖1）中可以看出結溫假如能夠控制在65°C那麼其光衰至70％的壽命可以高達10萬小時！這是人們夢寐以求的壽命可是真的可以實現嗎？是的只要能夠認真地處理它的散熱問題就有可能做到！遺憾的是現在實際的LED燈的散熱和這個要求相去甚遠！以致LED燈具的壽命變成了一個影響其性能的主要問題所以必須要認真對待！圖1.光衰和結溫的關係而且結溫不但影響長時間壽命也還直接影響短時間的發光效率例如Cree公司的XLamp7090XR-E的發光量和結溫的關係如圖2所示。假如以結溫為25度時的發光為100%那麼結溫上升至60度時其發光量就只有90%；結溫為100度時就下降到80%；140度就只有70%。可見改善散熱控制結溫是十分重要的事。除此以外LED的發熱還會使得其光譜移動；色溫升高；正向電流增大（恒壓供電時）；反向電流也增大；熱應力增高；螢光粉環氧樹脂老化加速等等種種問題所以說LED的散熱是LED燈具的設計中最為重要的一個問題。第一部分LED晶片的散熱一.結溫是怎麼產生的LED發熱的原因是因為所加入的電能並沒有全部轉化為光能而是一部分轉化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W其電光轉換效率大約只有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結溫的產生是由於兩個因素所引起的。1．內部量子效率不高也就是在電子和空穴複合時並不能100％都產生光子通常稱為由“電流洩漏”而使PN區載流子的複合率降低。洩漏電流乘以電壓就是這部分的功率也就是轉化為熱能但這部分不占主要成分因為現在內部光子效率已經接近90％。2．內部產生的光子無法全部射出到晶片外部而最後轉化為熱量這部分是主要的因為目前這種稱為外部量子效率只有30％左右大部分都轉化為熱量了。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化為光能而輻射出去因為大部分的輻射能是紅外線所以光效很低但是卻免除了散熱的問題。二.LED晶片到底板的散熱LED晶片的特點是在極小的體積內產生極高的熱量。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出去否則就會產生很高的結溫。為了盡可能地把熱量引出到晶片外面人們在LED的晶片結構上進行了很多改進。為了改善LED晶片本身的散熱其最主要的改進就是採用導熱更好的襯底材料。早期的LED只是採用Si矽作為襯底。後來就改為藍寶石作為襯底。但是藍寶石襯底的導熱性能不是太好（在100°C時約為25W/（m-K））為了改善襯底的散熱Cree公司採用碳化矽矽襯底它的導熱性能（490W/（m-K））要比藍寶石高將近20倍。而且藍寶石要使用銀膠固晶而銀膠的導熱也很差。而碳化矽的唯一缺點是成本比較貴。目前只有Cree公司生產以碳化矽為襯底的LED。採用碳化矽作為基底以後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。最近國內的廠商開始採用矽材料作為基底。因為矽材料的基底不受專利的限制。而且性能還優於藍寶石。唯一的問題是GaN的膨脹係數和矽相差太大而容易發生龜裂解決的方法是在中間加一層氮化鋁（AlN）作緩衝。襯底材料導熱係數W/(m·K)膨脹係數(x10E-6)穩定性導熱性成本ESD(抗靜電)碳化矽(SiC)490-1.4良好高好藍寶石(Al2O3)461.9一般差為SiC的1/10一般矽(Si)1505~20良好為藍寶石的1/10好LED晶片封裝以後從晶片到管腳的熱阻就是在應用時最重要的一個熱阻一般來說晶片的接面面積的大小是散熱的關鍵對於不同的額定功率要求有相應大小的接面面積。也就表現為不同的熱阻。幾種類型的LED的熱阻如下所示：類型草帽管食人魚1W面發光熱阻ºK/W150-200508-155早期的LED晶片主要靠兩根金屬電極而引出到晶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細的金屬導線引出去所以散熱效果很差熱阻很大這也就是為什麼這種草帽管的光衰很嚴重的原因。此外封裝時採用的材料也是一個很重要的問題。小功率LED通常採用環氧樹脂作為封裝材料但是環氧樹脂對400-459nm的光線吸收率高達45%很容易由於長期吸收這種短波長光線以後產生的老化而使光衰嚴重50%光衰的壽命不到1萬小時。因而在大功率LED中必須採用矽膠作為封裝材料。矽膠對同樣波長光線的吸收