LED散熱*概述

　　LED照明由于其節(jié)電、環(huán)保、長(zhǎng)壽命，而被公認(rèn)為下一帶照明技術(shù)，將取代現(xiàn)有的各種照明技術(shù)。一般而言，LED發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的熱能若無(wú)法導(dǎo)出，將會(huì)使LED結(jié)面溫度過(guò)高，進(jìn)而影響產(chǎn)品生命周期、發(fā)光效率、穩(wěn)定性。LED為冷光源，怕熱，有80%之多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，必須有散熱措施，雖然LED發(fā)光技術(shù)已有飛躍發(fā)展，有每瓦發(fā)光達(dá)200lm的報(bào)道，但LED散熱卻是LED照明中非常**，但又還沒(méi)得到有效解決的問(wèn)題，成了LED照明燈普及發(fā)展道路上的攔路虎。

　　LED*結(jié)溫的原因

　　LED發(fā)熱的原因是因?yàn)樗尤氲碾娔懿](méi)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(shuō)大約70%的電能都變成了熱能。具體來(lái)說(shuō)，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(wú)法全部射出到芯片外部而*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(wèn)題。

　　LED散熱*意義

　　•LED的熱性能直接影響其：

　　•1、發(fā)光效率-溫度上升，光效降低。

　　•2、主波長(zhǎng)-溫度上升，藍(lán)光向短波長(zhǎng)漂移，其它顏色向長(zhǎng)波長(zhǎng)的漂移(紅移)。

　　•3、相關(guān)色溫(CCT)-溫度上升，白光的相關(guān)色溫升高，其它顏色的相關(guān)色溫降低。

　　•4、正向電壓-溫度上升，正向電壓降低。

　　•5、反向電流-溫度上升，反向電流增大。

　　•6、熱應(yīng)力-溫度上升，熱應(yīng)力增大。

　　•7、器件的使用壽命-溫度上升，器件的使用壽命減短。

　　•8、如果LED封裝有熒光粉，環(huán)氧樹脂等，溫度的上升還將導(dǎo)致這些材料發(fā)生劣化。

　　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(wèn)題，所以說(shuō)，LED的散熱是LED燈具的設(shè)計(jì)中*為重要的一個(gè)問(wèn)題。

　　LED散熱*解決途徑

　　一、型材散熱

　　熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。熱傳導(dǎo)和對(duì)流需要借助介質(zhì)進(jìn)行，而熱輻射則不需要(如真空中)。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*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*主要的改進(jìn)就是采用導(dǎo)熱更好的襯底材料。LED晶?；逯饕亲鳛長(zhǎng)ED 晶粒與系統(tǒng)電路板之間熱能導(dǎo)出的媒介，藉由打線、共晶或覆晶的制程與LED 晶粒結(jié)合。而基于散熱考量，目前市面上LED晶?；逯饕蕴沾苫鍨橹鳎跃€路備制方法不同約略可區(qū)分為：厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、以及薄膜陶瓷基板三種，在傳統(tǒng)高功率LED元件，多以厚膜或低溫共燒陶瓷基板作為晶粒散熱基板，再以打金線方式將LED晶粒與陶瓷基板結(jié)合。如前言所述，此金線連結(jié) 限制了熱量沿電極接點(diǎn)散失之效能。因此，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大廠無(wú)不朝向解決此問(wèn)題而努力。其解決方式有二，其一為尋找高散熱系數(shù)之基板材料，以取代氧化鋁，包含了矽基板、碳化矽基板、陽(yáng)極化鋁基板或氮化鋁基板，其中矽及碳化矽基板之材料半導(dǎo)體特性，使其現(xiàn)階段遇到較嚴(yán)苛的考驗(yàn)，而陽(yáng)極化鋁基板則因其陽(yáng)極化氧 化層強(qiáng)度不足而容易因碎裂導(dǎo)致導(dǎo)通，使其在實(shí)際應(yīng)用上受限，因而，現(xiàn)階段較成熟且普通接受度較高的即為以氮化鋁作為散熱基板;然而，目前受限于氮化鋁基板 不適用傳統(tǒng)厚膜制程(材料在銀膠印刷后須經(jīng)850℃大氣熱處理，使其出現(xiàn)材料信賴性問(wèn)題)，因此，氮化鋁基板線路需以薄膜制程備制。以薄膜制程備制之氮化鋁基板大幅加速了熱量從LED晶粒經(jīng)由基板材料至系統(tǒng)電路板的效能，因此大幅降低熱量由LED晶粒經(jīng)由金屬線至系統(tǒng)電路板的負(fù)擔(dān)，進(jìn)而達(dá)到高熱散的效果。

　　另一種熱散的解決方案為將LED晶粒與其基板以共晶或覆晶的方式連結(jié)，如此一來(lái)，大幅增加經(jīng)由電極導(dǎo)線至系統(tǒng)電路板之散熱效率。然而此制程對(duì)于基板的布線**度與基板線路表面平整度要求極高，這使得厚膜及低溫共燒陶瓷基板的精準(zhǔn)度受制程網(wǎng)版張網(wǎng)問(wèn)題及燒結(jié)收縮比例問(wèn)題而不敷使用?，F(xiàn)階段多以導(dǎo)入薄膜陶瓷基 板，以解決此問(wèn)題。薄膜陶瓷基板以黃光微影方式備制電路，輔以電鍍或化學(xué)鍍方式增加線路厚度，使得其產(chǎn)品具有高線路精準(zhǔn)度與高平整度的特性。共晶/覆晶制 程輔以薄膜陶瓷散熱基板勢(shì)必將大幅提升LED的發(fā) 光功率 與產(chǎn)品壽命。近年來(lái)，由于鋁基板的開發(fā)，使得系統(tǒng)電路板的散熱問(wèn)題逐漸獲得改善，甚而逐漸往可撓曲之軟式電路板開發(fā)。另一方面，LED晶?；逡嘀鸩匠蚪档推錈嶙璺较蚺?。

　　現(xiàn)在市面上流行的散熱方法，把鋁型材做成太陽(yáng)花，梳子形等造型。把芯片固定到散熱器底部，利用金屬的導(dǎo)熱性把熱傳導(dǎo)到鰭片上，靠空氣對(duì)流把熱量帶走。可是我們要是查表的話會(huì)發(fā)現(xiàn)，鋁的散熱性能好，但是導(dǎo)熱性能一般，也就是有些人會(huì)遇到這樣的情況：散熱器底部和頂部的溫差大。那我們?yōu)槭裁床挥脤?dǎo)熱性能好的材質(zhì)呢?比鋁導(dǎo)熱性能好的材質(zhì)有銅和銀，可是參考性價(jià)比，鋁是*合適的。對(duì)于小功率來(lái)說(shuō)，鋁可以做到散熱，但對(duì)于大功率來(lái)說(shuō)，鋁的散熱效率就不夠了。所以就出現(xiàn)了加風(fēng)扇強(qiáng)制散熱和熱管技術(shù)。

　　二、解決封裝的散熱問(wèn)題才是根本方法

　　由于增加電力反而會(huì)造成封裝的熱阻抗急遽降至10K/W以下，因此國(guó)外業(yè)者曾經(jīng)開發(fā)耐高溫白光LED試圖通過(guò)此種方法改善上述問(wèn)題，然而實(shí)際上大功率LED的發(fā)熱量卻比小功率LED高數(shù)十倍以上，而且溫度升高還會(huì)使發(fā)光效率大幅下跌，即使封裝技術(shù)允許高熱量，不過(guò)LED芯片的接合溫度卻有可能超過(guò)容許值，*后業(yè)者終于領(lǐng)悟到解決封裝的散熱問(wèn)題才是根本方法。

　　有關(guān)LED的使用壽命，例如改用硅質(zhì)封裝材料與陶瓷封裝材料，能使LED的使用壽命提高一位數(shù)，尤其是白光LED的發(fā)光頻譜含有波長(zhǎng)低于450nm短波長(zhǎng)光線，傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂封裝材料極易被短波長(zhǎng) 光線破壞，高功率白光LED的大光量更加速封裝材料的劣化，根據(jù)業(yè)者測(cè)試結(jié)果顯示連續(xù)點(diǎn)燈不到一萬(wàn)小時(shí)，高功率白光LED的亮度已經(jīng)降低一半以上，根本無(wú)法滿足照明光源長(zhǎng)壽命的基本要求。

　　有關(guān)LED的發(fā)光效率，改善芯片結(jié)構(gòu)與封裝結(jié)構(gòu)，都可以達(dá)到與低功率白光LED相同水平，主要原因是電流密度提高2倍以上時(shí)，不但不容易從大型芯片取出光線，結(jié)果反而會(huì)造成發(fā)光效率不如低功率白光LED的窘境，如果改善芯片的電極構(gòu)造，理論上就可以解決上述取光問(wèn)題。

　　三、設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問(wèn)題

　　有關(guān)發(fā)光特性均勻性，一般認(rèn)為只要改善白光LED的熒光體材料濃度均勻性與熒光體的制作技術(shù)，應(yīng)該可以克服上述困擾。如上所述提高施加電力的同時(shí)，必需設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問(wèn)題，具體內(nèi)容分別是：降低芯片到封裝的熱阻抗、抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗、提高芯片的散熱順暢性。

　　為了要降低熱阻抗，許多國(guó)外LED廠商將LED芯片設(shè)在銅與陶瓷材料制成的散熱器(heat sink)表面，接著再用焊接方式將印刷電路板上散熱用導(dǎo)線，連接到利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷的散熱器上，根據(jù)德國(guó)OSRAM Opto Semiconductors Gmb實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，上述結(jié)構(gòu)的LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗可以降低9K/W，大約是傳統(tǒng)LED的1/6左右，封裝后的LED施加2W的電力時(shí)，LED芯片的接合溫度比焊接點(diǎn)高18K，即使印刷電路板溫度上升到500C，接合溫度頂多只有700C左右;相較之下以往熱阻抗一旦降低的話，LED芯片的接合溫度就會(huì)受到印刷電 路板溫度的影響，如此一來(lái)必須設(shè)法降低LED芯片的溫度，換句話說(shuō)降低LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗，可以有效減輕LED芯片降溫作業(yè)的負(fù)擔(dān)。反過(guò)來(lái)說(shuō)即使白光LED具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu)，如果熱量無(wú)法從封裝傳導(dǎo)到印刷電路板的話，LED溫度上升的結(jié)果發(fā)光效率會(huì)急遽下跌，因此松下電工開發(fā)印刷電路板與封裝一體化技術(shù)，該公司將1mm正方的藍(lán)光LED以flip chip方式封裝在陶瓷基板上，接著再將陶瓷基板粘貼在銅質(zhì)印刷電路板表面，根據(jù)松下表示包含印刷電路板在內(nèi)模塊整體的熱阻抗大約是15K/W左右。

　　LED散熱*主要技術(shù)

　　依據(jù)不同的封裝技術(shù)，其散熱方法亦有所不同，而 LED 各種散熱途徑方法約略以下幾種：

　　1、從空氣中散熱

　　2. 熱能直接由System circuit board導(dǎo)出

　　3. 經(jīng)由金線將熱能導(dǎo)出

　　4. 若為共晶及Flip chip制程，熱能將經(jīng)由通孔至系統(tǒng)電路板而導(dǎo)出

　　普通說(shuō)來(lái)按照從散熱器帶走熱量的方法可以將散熱器分為自動(dòng)式散熱和被動(dòng)式散熱。所謂的被動(dòng)式散熱是指經(jīng)過(guò)散熱片將熱源LED光源熱量天然分發(fā)到空氣中其散熱的結(jié)果與散熱片巨細(xì)成正比但由于是天然分發(fā)熱量結(jié)果當(dāng)然大打扣頭經(jīng)常用在那些對(duì)空間沒(méi)有要求的設(shè)備中或許用于為發(fā)燒量不大的部件散熱如局部普及型主板在北橋上也接納被動(dòng)式散熱絕大大都接納自動(dòng)式散熱式自動(dòng)式散熱就是經(jīng)過(guò)電扇等散熱設(shè)備強(qiáng)迫性地將散熱片宣布的熱量帶走其特點(diǎn)是散熱效率高并且設(shè)備體積小。 自動(dòng)式散熱從散熱方法上細(xì)分可以分為風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導(dǎo)體系體例冷、化學(xué)制冷等等。當(dāng)前LED主要散熱技術(shù)如如下：

　　1、鋁擠壓技術(shù)

　　一般常用的鋁擠型材料為 AL6063，其具有良好熱傳導(dǎo)率(約200 W/m.K)與加工性。 優(yōu)缺點(diǎn)：易加工，成本低，技術(shù)成熟。缺點(diǎn)是安裝受限較多，易變形。注：未經(jīng)氧化處理的鋁易自然腐蝕，導(dǎo)致導(dǎo)熱率下降。

　　2、鋁壓鑄技術(shù)

　　一般常用的壓鑄型鋁合金為ADC12，適用于做薄鑄件，但熱傳導(dǎo)率較差(約 96 W/m.K)。 優(yōu)缺點(diǎn)：可進(jìn)行一體化無(wú)隙設(shè)計(jì)，防水效果較好。缺點(diǎn)是模具費(fèi)用較高，散熱效果一般，燈體較笨重

　　3、加風(fēng)扇強(qiáng)制散熱

　　由于現(xiàn)在的集成芯片和電腦的CPU很相似，所以，把風(fēng)扇加到散熱器上就應(yīng)運(yùn)而生了。加上風(fēng)扇之后，散熱效果有一定的改善，但是由于鋁本身的導(dǎo)熱速率不高，導(dǎo)致散熱效率提高并不是很多，也不能解決大功率散熱的要求。而且風(fēng)扇還有一個(gè)致命的缺點(diǎn)：大功率照明所處的環(huán)境普遍比較惡劣，風(fēng)扇的可靠性令人堪憂。路燈，工礦燈，碼頭燈等，風(fēng)吹，日曬，雨淋，粉塵，腐蝕，風(fēng)扇抗的住嗎?現(xiàn)在LED燈一般都號(hào)稱10萬(wàn)小時(shí)，大約是11年。大家都見過(guò)CPU散熱器的風(fēng)扇，2年以后，大功率LED散熱器的風(fēng)扇真的還能用嗎?結(jié)論想必大家都已經(jīng)知道了。另外，LED是節(jié)能產(chǎn)品，可是散熱方面又再次耗能，這將使LED失去節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。

　　4、風(fēng)涼風(fēng)冷散熱

　　風(fēng)涼風(fēng)冷散熱是*經(jīng)常見的散熱方法比較而言也是較廉價(jià)的方法。風(fēng)冷散熱從本質(zhì)上講就是運(yùn)用電扇帶走散熱器所接收的熱量。具有價(jià)錢相對(duì)較低裝置便利等長(zhǎng)處。但對(duì)情況依靠比擬高例如氣溫升高以及超頻時(shí)其散熱功能就會(huì)大受影響。

　　5、液冷

　　液冷散熱是經(jīng)過(guò)液體在泵的帶動(dòng)下強(qiáng)迫輪回帶走散熱器的熱量與風(fēng)冷比擬具有恬靜、降溫不變、對(duì)情況依靠小等等長(zhǎng)處。液冷的價(jià)錢相對(duì)較高并且裝置也相對(duì)費(fèi)事一些。還裝置時(shí)盡量依照仿單指點(diǎn)的辦法裝置才干取得*佳的散熱結(jié)果。出于本錢及易用性的思索液冷散熱凡間采用水做為導(dǎo)熱液體因而液冷散熱器也經(jīng)常被稱為水冷散熱器。

　　6、熱管

　　熱管的原理很簡(jiǎn)單，就是相變技術(shù)。所謂相變就是液→氣→液的循環(huán)變化過(guò)程。我們知道，液體——以水為例，吸熱變?yōu)闅怏w，氣態(tài)水放熱變?yōu)橐簯B(tài)水。熱管就是利用這一吸一放來(lái)傳遞熱量的。一般的熱管是用銅來(lái)做，銅的導(dǎo)熱速率高，散熱速率低，把熱量導(dǎo)出來(lái)，可是散不出去。于是就有了銅鋁結(jié)合的熱柱。銅的導(dǎo)熱速率高，用來(lái)導(dǎo)熱;鋁的散熱效率高，用鋁來(lái)散熱。這樣的組合貌似天衣無(wú)縫，實(shí)則缺陷很多。首先**個(gè)就是銅鋁的結(jié)合問(wèn)題，稍微知道點(diǎn)化學(xué)知識(shí)的人都知道，銅和鋁的熔點(diǎn)不一樣，是不可能焊接到一起的。那么只能粘合，這樣的話極易出問(wèn)題，也就是可靠性不佳。其二，熱管有取熱極限，一旦管內(nèi)沸騰，熱管就極有可能爆掉。這些缺點(diǎn)???得熱管非常不可靠。

　　熱管屬于一種傳熱元件它充沛應(yīng)用了熱傳導(dǎo)道理與致冷介質(zhì)的疾速熱傳遞性質(zhì)經(jīng)過(guò)在全封鎖真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝聚來(lái)傳遞熱量具有極高的導(dǎo)熱性、優(yōu)越的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可恣意改動(dòng)、可遠(yuǎn)間隔傳熱、可節(jié)制溫度等一系列長(zhǎng)處而且由熱管構(gòu)成的換熱用具有傳熱效率高、構(gòu)造緊湊、流體阻損小等長(zhǎng)處。其導(dǎo)熱才能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越任何已知金屬的導(dǎo)熱才能。一般采用熱管加fin片的形式。Fin片材質(zhì)一般是AA1050(AL,約200 W/m.K)或c1100(cu,約400 W/m.K )，導(dǎo)熱管材質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有幾乎**的熱傳導(dǎo)率(約80000~110000 W/m.K)。 優(yōu)缺點(diǎn)：良好的散熱效果，重量輕。缺點(diǎn)是對(duì)空間有一定要求，不能承受較大力度沖擊，成本較高。

　　7、半導(dǎo)體系體例冷

　　半導(dǎo)體系體例冷就是應(yīng)用一種特制的半導(dǎo)體系體例冷片在通電時(shí)發(fā)生溫差來(lái)制冷只需高溫端的熱量能有用的分發(fā)失落則低溫端就不時(shí)的被冷卻。在每個(gè)半導(dǎo)體顆粒上都發(fā)生溫差一個(gè)制冷片由幾十個(gè)如許的顆粒串聯(lián)而成然后在制冷片的兩個(gè)外表構(gòu)成一個(gè)溫差。應(yīng)用這種溫差景象共同風(fēng)冷/水冷對(duì)高溫端進(jìn)行降溫能獲得優(yōu)異的散熱結(jié)果。半導(dǎo)體系體例冷具有制冷溫度低、牢靠性**長(zhǎng)處冰臉溫度可以到達(dá)零下10℃以下然則本錢太高并且能夠會(huì)因溫渡過(guò)低招致形成短路并且目前半導(dǎo)體系體例冷片的工藝也不成熟不敷適用。

　　8、化學(xué)制冷

　　所謂化學(xué)制冷就是運(yùn)用一些超低溫化學(xué)物質(zhì)應(yīng)用它們?cè)谙诘臅r(shí)分接收很多的熱量來(lái)降低溫度。這方面以運(yùn)用干冰和液氮較為經(jīng)常見。比方運(yùn)用干冰可以將溫度降低到零下20℃以下還有一些更“失常”的玩家應(yīng)用液氮將CPU溫度降到零下100℃以下(理論上)當(dāng)然因?yàn)閮r(jià)錢昂貴和繼續(xù)工夫太短這個(gè)辦法多見于實(shí)行室或極端的超頻喜好者。

　　9、其他新型散熱技術(shù)：

　　a、SynJet替代風(fēng)扇b、均熱板技術(shù) c、離子風(fēng)散熱技術(shù) d、PDC 熱處理材料 e、納米碳球應(yīng)用于輻射散熱技術(shù)