詳解微熱管技術在LED散熱問題中的應用

　　相對傳統(tǒng)光源，LED具有的技術優(yōu)點還包括長壽命、響應快、潛在高光效、體積小以及窄光譜等優(yōu)點。但究其本質，在這眾多的優(yōu)點中，潛在的高光效、體積小和窄光譜這三點最為關鍵，這使得LED有別于傳統(tǒng)光源，并拓寬了它在多種領域的應用。但是也正是由于其體積小、高光效的特點，使得LED仍存在應用的障礙——散熱問題。依照目前的半導體制造技術，大功率LED只能將約15%的輸入功率轉化為光能，而其余85%轉化成了熱能。如果沒有良好的散熱方法，芯片的熱量散不出去，將使芯片失效。

　　散熱成LED開發(fā)必須解決難題

　　如果LED芯片的熱量不能散出去，會加速芯片的老化，還可能導致焊錫的融化，使芯片失效。

　　LED發(fā)光是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生的，其光譜中不含紅外光，LED的熱量不能靠輻射散出，因此LED被稱為冷光源。LED一般采用環(huán)氧樹脂封裝，環(huán)氧樹脂的導熱能力非常差，熱量只能靠芯片下面的引腳散出。傳統(tǒng)亮度的LED因為發(fā)光功率小，熱量也不大，故沒有散熱問題。而功率型LED用在照明上需要將多顆LED組成光源模塊以達到所需的光通量。對于大功率器件來說，其輸入功率≥1W，而芯片尺寸則為lmm×lmm～2.5mm×2.5mm之間，芯片的功率密度很大，因此必須在較小的LED封裝中處理極高的熱量。目前LED的取光效率僅能達到10%～20%，還有80%～90%的能量轉換成了熱能。如果LED芯片的熱量不能散出去，會加速芯片的老化，還可能導致焊錫的融化，使芯片失效，具體表現(xiàn)為：

　　一是發(fā)光強度降低。隨著芯片結溫的升高，芯片的發(fā)光效率也會隨之降低，芯片結溫越高，發(fā)光強度下降越快。

　　二是發(fā)光主波長偏移，致使光轉換效率下降。

　　三是加速LED的光衰，嚴重降低LED的壽命。

　　所以，功率型LED芯片散熱問題成為當前LED技術在照明工程中應用的障礙。

　　為保證功率型LED的正常工作，需通過有效的散熱設計，保證LED的工作結溫在允許溫度范圍內。散熱能力越強，結溫越低。

　　LED照明系統(tǒng)的散熱問題主要有兩個方面：一是LED功率芯片內的散熱(導熱)，涉及到器件的封裝技術;二是LED功率芯片的外部散熱，主要涉及基板導熱、翅片散熱器及其與環(huán)境空氣的對流換熱。目前，在解決功率型LED照明系統(tǒng)的散熱問題上主要采用的方法有：調整LED的間距、自然對流散熱、加裝風扇或是水冷強制散熱、熱管和回路熱管散熱等。

　　在現(xiàn)今LED集成高密度，產(chǎn)熱量高熱流量的發(fā)展趨勢下，借助熱管的高效輸熱來實現(xiàn)快速散熱就變得非常必要。另外，現(xiàn)有散熱裝置強調熱傳導環(huán)節(jié)、忽視對流散熱環(huán)節(jié)，盡管眾多的廠家考慮了各種各樣的措施來改善熱傳導環(huán)節(jié)：如采用熱管、加導熱硅脂等，卻沒有意識到熱量最終還是要依靠燈具的外表面帶走，忽視了傳熱的均衡性，如果翅片的溫度分布嚴重不均勻，將會導致其中部分翅片(溫度較低的部分)效率大大降低。現(xiàn)有針對LED照明的散熱裝置仍局限于功率較低LED照明元件，并且效果不明顯，成本高，不易應用于實際生產(chǎn)。　　內外部散熱相互作用決定LED散熱性能

　　用于加快芯片熱量散發(fā)的方法包括采用倒裝焊、使用導熱性能良好的粘接材料、使用散熱器等。

　　LED散熱技術主要包括兩個方面：一是LED功率芯片的內部傳熱，涉及器件的封裝技術，因為封裝必然產(chǎn)生內部熱阻，這個熱阻的大小決定了結溫與金屬底座(支架)的溫差(在給定功率條件下);二是LED功率芯片的外部散熱，也就是LED產(chǎn)生的熱最終必然要散發(fā)到空氣中去，需要基板導熱、翅片散熱器及其與環(huán)境空氣的對流換熱。外部散熱與內部散熱相互作用決定了LED照明器具的散熱性能。

　　對于LED功率芯片的內部傳熱，增強功率型LED散熱能力的核心目標是降低LED結溫，一般要控制在85℃以下。

　　LED功率芯片的內部傳熱主要是從LED內部熱阻計算入手來進一步探討和改進LED封裝技術。LED作為半導體器件，主要以結溫和內部熱阻來體現(xiàn)它的熱學特性。

　　在LED芯片的制作與封裝方面，用于加快芯片熱量散發(fā)的方法包括采用倒裝焊、使用導熱性能良好的粘接材料、使用散熱器等。

　　倒裝焊芯片(flip-chip)結構的出現(xiàn)很大提高了功率型LED的散熱能力和出光效率。

　　無論采用哪種焊接方式，芯片都需通過粘接材料粘接到金屬熱沉上，所以粘接材料不僅要熱導率更高，更要厚度小才能顯著降低倒裝焊LED的熱阻，提高器件的散熱能力。近年來封裝結構良好的功率型LED元件，其總熱阻已經(jīng)降為6℃~10℃/W。

　　對于LED功率芯片的外部散熱，目前常用電子器件的散熱技術按從熱沉帶走熱量的方式分為自然風冷、強制風冷、強制液冷。

　　由于LED散熱的特殊性(高價值、維護成本高、工作時間長、防護等級高等)，目前LED通過熱沉散熱的主要方式最可靠的是自然風冷。但由于自然風冷的換熱系數(shù)較低，為了滿足大功率LED的散熱，通常只能通過加大與空氣換熱的熱沉表面積(翅片面積)來實現(xiàn)換熱量的提高。另外由于電子器件的溫度不高，無論