LED散熱分析

　　圖1.光衰和結(jié)溫的關(guān)系

　　而且，結(jié)溫不但影響長時間壽命，也還直接影響短時間的發(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度時的發(fā)光為100%，那么結(jié)溫上升至60度時，其發(fā)光量就只有90%;結(jié)溫為100度時就下降到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(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)計中最為重要的一個問題。

　　第一部分LED芯片的散熱

　　一.結(jié)溫是怎么產(chǎn)生的

　　LED發(fā)熱的原因是因為所加入的電能并沒有全部轉(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，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，因為現(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，因為目前這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芯片到底板的散熱

　　LED芯片的特點是在極小的體積內(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，人們在LED的芯片結(jié)構(gòu)上進行了很多改進。

　　為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的改進就是采用導(dǎo)熱更好的襯底材料。早期的LED只是采用Si硅作為襯底。后來就改為藍寶石作為襯底。但是藍寶石襯底的導(dǎo)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公司采用碳化硅硅襯底，它的導(dǎo)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(dǎo)熱也很差。而碳化硅的唯一缺點是成本比較貴。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。最近國內(nèi)的廠商開始采用硅材料作為基底。因為硅材料的基底不受專利的限制。而且性能還優(yōu)于藍寶石。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

　　藍寶石(Al2O3)461.9一般差為SiC的1/10一般

　　硅(Si)1505~20良好為藍寶石的1/10好

　　LED芯片封裝以后，從芯片到管腳的熱阻就是在應(yīng)用時最重要的一個熱阻，一般來說,芯片的接面面積的大小是散熱的關(guān)鍵，對于不同的額定功率，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芯片主要靠兩根金屬電極而引出到芯片外部，最典型的就是稱為ф5或F5的草帽管，它的散熱完全靠兩根細(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，封裝時采用的材料也是一個很重要的問題。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400-459nm的光線吸收率高達45%，很容易由于長期吸收這種短波長光線以后產(chǎn)生的老化而使光衰嚴(yán)重，50%光衰的壽命不到1萬小時。因而在大功率LED中必須采用硅膠作為封裝材料。硅膠對同樣波長光線的吸收率不到1%。從而可以把同樣光衰的壽命延長到4萬小時。

　　下面列出各家LED芯片公司所生產(chǎn)的各種型號LED的熱阻

　　公司名稱芯片型號芯片類型熱阻 °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的熱阻因為采用了碳化硅作基底，要比其他公司的熱阻至少低一倍。大功率LED為了改進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。這些熱阻實際上都是在這個銅底板上測得的。

　　是不是碳化硅就是LED襯底的最佳選擇呢，不是這樣，任何事物都會有創(chuàng)新和發(fā)展的，最近臺灣的鉆石科技開發(fā)出了鉆石島外延片(DiamondIslandsWafer，DIW)做為生產(chǎn)超級LED的基材。這種LED的熱阻可以低至5°C/W。用它制成的超級LED可發(fā)出極強的紫外光，其強度不因高溫而降低，反而會更亮。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。

　　這將會使整個LED產(chǎn)生革命性變化。而且擺脫了日美等國的專利束縛。

　　三.集成LED的散熱

　　現(xiàn)在有不少廠商把很多LED晶粒集成在一起以得到大功率的LED。這種LED的功率可以達到5W以上，大多以10W，25W，和50W的功率等級出現(xiàn)。為了把多個LED晶粒(以共晶(Eutectic)或覆晶(Flip-Chip)封裝)連接在一起，因為這些晶粒極為精細(xì)，所以需要采用精確的印制電路進行連接。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，因為它只需要300度以下的工藝，表面平整度可以0.3um，不會有氧化物生成，附著性好，電路精細(xì)，誤差低于+/-1%。它實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