大功率LED散热技术研究

摘　要：如何提高大功率LED的散热能力,是LED器件封装和器件应用设计要解决的核心问题。介绍并分析了国内外大功率LED散热封装技术的研究现状,总结了其发展趋势与前景用途

关键词：大功率LED；散热；封装

1　引言
　　发光二极管（LED）诞生至今，已经实现了全彩化和高亮度化，并在蓝光LED和紫光LED的基础上开发了白光LED，它为人类照明史又带来了一次飞跃。发光二极管（LED）具有低耗能、省电、寿命长、耐用等优点,因而被各方看好将取代传统照明成为未来照明光源。
　　而大功率LED作为第四代电光源，赋有“绿色照明光源”之称，具有体积小、安全低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性，必将取代传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯而成为21世纪的新一代光源。普通LED功率一般为0.05W，工作电流为20mA，大功率LED可以达到1W,2W,甚至数十瓦！工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。其特点具有体积小、耗电小、发热小、寿命长、响应速度快、安全低电压、耐候性好、方向性好等优点。 外罩可用PC管制作，耐高温达135度.，低温-45度。广泛应用在油田、石化、铁路、矿山、部队等特殊行业、舞台装饰、城市景观照明、显示屏以及体育场馆等，特种工作灯具中的具有广泛的应用前景。但由于目前大功率白光LED的转换效率还较低，光通量较小，成本较高等方面因素的制约，因此大功率白光LED短期内的应用主要是一些特殊领域的特种工作灯具，中长期目标才能是通用照明领域。然而,随着功率增加,LED所产生电热流之废热无法有效散出,导致发光效率严重下降。LED发光效率会随着使用时间及次数而降低,而过高的接面温度则会加速LED发光效率衰减,故散热成LED器件封装和器件应用设计要解决的核心问题。
2　热效应对大功率LED的影响
　　对于单个LED而言．如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出．则会导致芯片的温度升高．引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明，当温度超过一定值时．器件的失效率将呈指数规律攀升．元件温度每上升2℃，可靠性将下降l0％。为了保证器件的寿命，一般要求pn结的结温在110℃以下。随着pn结的温升．白光LED器件的发光波长将发生红移据统计资料表明．在100℃的温度下．波长可以红移4～9?nm．从而导致YAG荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度变差。在室温附近，温度每升高l℃．LED的发光强度会相应减少l％左右．当器件从环境温度上升到l20℃时．亮度下降多达35％。当多个LED密集排列组成白光照明系统时．热量的耗散问题更严重。因此解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件。
3　国内外的研究进展
　　散热的基本途径主要有以下三种：热传导、对流、辐射。与其它固体半导体器件相比，LED器件对温度的敏感性更强。由于受到芯片工作温度的限制，芯片只能在125℃以下工作，因此器件的热辐射效应基本可以忽略不计，热传导和对流是LED散热的主要方式。在散热设计时先从热传导方面考虑，因为热量首先从LED封装模块中传导到散热器。
　　针对高功率LED的封装散热难题国内外器件的设计者和制造者提出许多方法。现在传统散热方法有：鳍片散热、风冷、液冷、热管散热、半导体制冷等。现在有些新方法也被陆续提出来，比如超声制冷、超导制冷以及将多种散热方法有效集成在一个器件之中。下面简单介绍几种常见散热方法。
3.1被动鳍片法
　　散热鳍片担负着将发热物体产生的热量散发到周围空气中的使命。散热片通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热片，散热片通常是一块带有很多叶片的热的良导体。散热片性能主要和材料的导热系数、总散热面积及形状设计有关。材料导热系数越高，传热能力越强，一般金属的传热性能顺序为：银，铜，金，铝。散热鳍片形状可设计成多种阵列，如条形阵列、圆柱针状阵列等，如图1所示鳍片法是目前经常用的方式，结构简单；它的缺点就是散热效率低，散热能力有限，易受积尘等影响使散热效率降低。

3.2传统的主动式散热法
　　主动式散热法包括风冷和夜冷，但主要使用风冷。风冷主要是使用风扇进行强制的对流使热量散发。因其安装简便、成本较低、散热效果明显、适应性强、产品更新换代灵活等特点成为当今散热技术的主流。通常使用散热片和风扇结合的方式，散热片充分扩展的表面使热对流面积大大增加，同时风扇增加对流系数从而散发更多的热量。如图2所示。但是它的缺点就是会需要额外的一个功耗，要增加它的能耗，系统的可靠性、稳定性就好下降，而且它受恶劣环境的影响，它的性能也会发生变异。

3.3传统的热管技术
　　热管利用蒸发散热，使得热管两端温度差很大，热量传导迅速，利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发端，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端，如图3所示。但其需结合其他散热方式导致它的成本增加。

3.4 小结
　　目前,随着功率型LED的亮度提升,驱动电流的日益增大,解决散热问题已成为大功率LED
实现产业化的先决条件。总的来说，具有低热阻、良好散热能力以及低机械应力的新式封装结构是封装体的技术关键。
4  发展趋势
　　大功率白光LED具有很多优点，其应用面不断扩大，可预见未来将进入普通照明领域，具有强大的市场潜力。对于LED的研究和开发，国际著名的照明公司均给予了其足够的重视，并斥巨资投究与开发，研究的焦点主要集中在新发光材料、封装材料等：Philips照明公司与HP公司合资的Lumileds Lighting公司；美国Cree、德国Siemens和Osram联合；美国GE公司与Emcore公司合资的Gelcore公司；日本的日亚（Nichia）、Toshiba和Honda联合等均投入大量人力、物力、财力进行研究，以期在这一新世纪光源领域占领制高点，如表1所示。我国LED产业从上世纪七十年代开始，一直紧跟世界LED产业发展的步伐。特别是近几年来， 由于国家的重视，863光电子项目的投入，大学、科研机构加大研发力度，各地方政府及企业投入增加，LED发展已具有一定的规模，并形成LED的产业链。

　　表1国外具有超高亮度LED领先水平的厂家
　　尤其最近几年在大功率高亮度LED封装技术上的突破和材料加工技术的实用化，连带创造了很多应用产品：显示屏、照明、交通信号灯、汽车用灯、背光源等。总而言之，目前的大功率高亮度LED已经在背光源、显示屏、特种照明、信号灯等领域得到很好的推广，普通照明和汽车前照灯等领域还处于刚刚起步的阶段。但是随着大功率高亮度LED技术的飞速发展，一旦解决了在技术和成本上的问题，将会对传统的照明光源提出挑战，LED成为普通照明光源的时日会越来越近。
参考文献:
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