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如何改善LED散熱性能

發布時間：2011-02-14 閱讀量：1436 來源：作者：

相關LED的運用生存的年限，例如改用硅質封裝材料與瓷陶封裝材料，能使LED的運用生存的年限增長一位數，特別是白光LED的閃光頻譜包括波長低于450nm短波長光線，傳統環氧氣天然樹脂封裝材料極易被短波長光線毀傷，高功率白光LED的大光量更加速封裝材料的劣化，依據業者測試最后結果顯露蟬聯點燈不到10,000小時，高功率白光LED的亮度已經減低二分之一以上，根本沒有辦法滿意照明光源長生存的年限的基本要求。到現在為止有兩種延長組件運用生存的年限的對策，作別是，制約白光LED群體的溫升，和休止運用天然樹脂封裝形式。

不過，其實大功率LED 的發卡路里比小功率LED高數十倍以上，并且溫升還會使閃光速率大幅下跌。具體內部實質意義作別是：減低芯片到封裝的熱阻抗、制約封裝至印刷電路基板的熱阻抗、增長芯片的散熱順利通暢性。

想辦法減損熱阻抗、改善散熱問題
相關LED的閃光速率，改善芯片結構與封裝結構，都可以達到與低功率白光LED相同水準。有鑒于此美國Lumileds與東洋CITIZEN等照明設施、LED封裝廠商，一個跟著一個研發高功率LED用簡易散熱技術，CITIZEN在2004年著手著手制作白光LED樣品封裝，不必特別結合技術也能夠將厚約2~3mm散熱裝置的卡路里直接排放到外部，依據該CITIZEN報導固然LED芯片的結合點到散熱裝置的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大，并且在普通背景下室溫會使熱阻抗增加1W左右，縱然是傳統印刷電路板無冷卻風扇強迫空冷狀況下，該白光LED板塊也可以蟬聯點燈運用。

相關閃光特別的性質平均性，普通覺得只要改善白光LED的熒光體材料液體濃度平均性與熒光體的制造技術，應當可以克服上面所說的圍困并攪擾。

因為增加電力反倒會導致封裝的熱阻抗急速降至10K/W以下，因為這個海外業者以前研發耐高溫白光LED，打算借此改善上面所說的問題。

固然硅質封裝材料可以保證LED的40,000小時的運用生存的年限，不過照明設施業者卻顯露出來不一樣的看法，主要爭辯是傳統電燈泡與日光燈的運用生存的年限，被定義成“亮度降至30百分之百以下”。亮度減半時間為四萬鐘頭的LED，若換算成亮度降至30百分之百以下的話，大約只剩二萬鐘頭左右。

普通覺得假如徹底執行以上兩項延壽對策，可以達到亮度30百分之百時四萬鐘頭的要求。因為這個，松下電工研發印刷電路板與封裝一體化技術，該企業將1mm正方形的藍光LED以flip chip形式封裝在瓷陶基板上，繼續再將瓷陶基板粘附在銅質印刷電路板外表，依據松下報道里面含有印刷電路板順德led顯示屏在內板塊群體的熱阻抗約是15K/W左右。所以Lumileds與CITIZEN是采取增長結合點容許溫度，德國OSRAM企業則是將LED芯片設置在散熱裝置外表，達到9K/W超低熱阻抗記錄，該記錄比OSRAM以往研發同級產品的熱阻抗減損40百分之百。值當一提的是該LED板塊封裝時，認為合適而使用與傳統辦法相同的flip chip形式，然而LED板塊與散熱裝置結合乎時常，則挑選最靠近LED芯片閃光層作為結合面，借此使閃光層的卡路里能夠以最短距離傳導排放。

以往LED 業者為了取得充分的白光LED 光柱，以前研發大尺寸LED芯片打算藉此形式達到預先期待目的。如上增長給予電力的同時，不可少想辦法減損熱阻抗、改善散熱問題。然而，其實白光LED的給予電努力堅持續超過1W以上時光柱反倒會減退，閃光速率相對減低20~30百分之百。換言之，白光LED的亮度假如要比傳統LED大數倍，耗費電力特別的性質逾越日光燈的話，就不可少克服下面所開列四大課題：制約溫升、保證運用生存的年限、改善閃光速率，以及閃光特別的性質平均化。反過來說縱然白光LED具有制約熱阻抗的結構，假如卡路里沒有辦法從封裝傳導到印刷電路板的話，LED溫度升漲的最后結果毅然會使閃光速率急速下跌。

解決封裝的散熱問題才是根本辦法
溫升問題的解決辦法是減低封裝的熱阻抗；保持LED的運用生存的年限的辦法是改善芯片外形、認為合適而使用小規模芯片；改善LED的閃光速率的辦法是改善芯片結構、認為合適而使用小規模芯片；至于閃光特別的性質平均化的辦法是改善LED的封裝辦法，這些個辦法已經陸續被研發中。因為環氧氣天然樹脂借鑒波長為400~450nm的光線的百分率高達45%，硅質封裝材料則低于1百分之百，輝度減半的時間環氧氣天然樹脂不到一萬鐘頭，硅質封裝材料可以延長到四萬鐘頭左右，幾乎與照明設施的預設生存的年限相同，這意味著照明設施運用時期不需改易白光LED。然而硅質天然樹脂歸屬高彈性軟和材料，加工時不可少運用不會刮傷硅質天然樹脂外表的制造技術，這個之外加工時硅質天然樹脂極易依附粉屑，因為這個未來不可少研發可以改善外表特別的性質的技術。

相關LED的長命化，到現在為止LED廠商采取的對策是改變封裝材料，同時將熒光材料散布在封裝材料內，特別是硅質封裝材料比傳統藍光、近紫外線LED芯片上方環氧氣天然樹脂封裝材料，可以更管用制約材質劣化與光線洞穿率減低的速度。

改變封裝材料制約材質劣化與光線洞穿率減低的速度
2003年東芝Lighting以前在400mm正方形的鋁合金外表，鋪修閃光速率為60lm/W低熱阻抗白光LED，無冷卻風扇等特別散熱組件前提下，試著制做光柱為300lm的LED板塊。主要端由是電流疏密程度增長2倍以上時，不惟不由得易從大型芯片抽取光線，最后結果反倒會導致閃光速率還不如低功率白光 LED的窘境。依據德國OSRAM Opto Semi conductors Gmb實驗最后結果證明，上面所說的結構的LED芯片到燒焊點的熱阻抗可以減低9K/W，約是傳統LED的1/6左右，封裝后的LED給予2W的電力時，LED芯片的結合溫度比燒焊點高18K，縱然印刷電路板溫度升漲到50℃，結合溫度頂多只有70℃左右；相形之下過去熱阻抗一朝減低的話，LED芯片的結合溫度便會遭受印刷電路板溫度的影響。制約白光LED溫升可以認為合適而使用冷卻LED封裝印刷電路板的辦法，主要端由是封裝天然樹脂高溫狀況下，加上強光映射會迅速劣化，沿襲阿雷紐斯法則溫度減低10℃生存的年限會延長2倍中國照明電器協會 LED照明門戶網站。

因為散熱裝置與印刷電路板之間的細致精密性直接左右導熱效果，因為這個印刷電路板的預設變得十分復雜。

為了減低熱阻抗，很多海外LED廠商將LED芯片設置在銅與瓷陶材料制成的散熱裝置（heat sink）外表，繼續再用燒焊形式將印刷電路板的散熱用導線連署到利用冷卻風扇強迫空冷的散熱裝置上。因為東芝Lighting領有浩博的試著制做經驗，因為這個該企業表達因為摹擬剖析技術的進步提高，2006年在這以后超過60lm/W的白光LED，都可以輕松利用燈具、框體增長導熱性，或是利用冷卻風扇強迫空冷形式預設照明設施的散熱，不必特別散熱技術的板塊結構也能夠運用白光LED。

Lumileds于2005年著手制作的高功率LED芯片，結合容許溫度更高達+185℃，比其他企業同級產品高60℃，利用傳統RF 4印刷電路板封裝時，四周圍背景溫度40℃范圍內可以輸入相當于1.5W電力的電流（約是400mA）。這也是LED廠商完全一樣認為合適而使用瓷陶系與金屬系封裝材料主要端由。縱然封裝技術準許高卡路里，然而LED芯片的結合溫度卻可能超過容許值，最終業者終于了悟到解決封裝的散熱問題才是根本辦法。

三種主流LED封裝散熱結構
LED封裝光源的散熱問題，一直是LED產品開發中遇到非常重要的問題，特別是散熱材料的選用，一直是工程師的難題。因為產品材料的導熱性能就非常之關鍵。

就目前而言，陶瓷材料是導熱性能非常好的材料，它有導熱率高，良好的物量性能（不不收縮，不變形），良好的絕緣性能與導熱性能。因此，采用陶瓷材料將是未來LED產品開發的主流趨勢！

下面對幾種LED封裝常用材料的相關參數、性質及結構進行了對比。并圖解了LED封裝常用陶瓷支架的生產原理。

LED封裝常用材料相關參數對比圖

從提供的資料看，所用的陶瓷材料是三氧化二鋁，我認為用它替代銅，簡直是技術倒退！除非你打算讓LED的芯片工作到150度以上的溫度。大家實測一下圖中第一和第二種結構芯片的溫度就知道那種陶瓷的不好了。

大家要明白，電子工業中采用所謂“導熱陶瓷”（實際導熱遠不如銅、鋁等金屬）的目的是什么。并非是它導熱比常用的導熱金屬的導熱能力強，而是在于陶瓷的絕緣性能和低的膨脹系數。當這兩項參數不是問題時，使用陶瓷絕對無益。導熱好的陶瓷導熱性能不如銅，與鋁相當，價格高，加工難，脆性大，不抗震動。

提示一下，有興趣的可以去看看下面幾種材料的性能再回來看這個帖子。氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁、純銅、純鋁、散熱用的幾種合金鋁、鋁基板及鋁基板的絕緣層，等等。好好學習一下這些材料的物理特性，再了解一下它們的價格。

LED熱隔離封裝技術及對光電性能的改善
在傳統的白光LED封裝結構中，熒光粉直接涂覆于芯片上面，工作時，芯片釋放的熱量直接加載在熒光粉上面，導致了熒光粉的溫升，使得熒光粉在高溫下轉化效率降低。而在熒光粉與芯片之間引入一層低導熱的熱隔離層能夠有效的阻止芯片的熱量直接加載到熒光粉上，降低了熒光粉層溫度，使得白光LED在大電流注入下都能保持較高的流明效率。除了芯片釋放的熱量之外，涂覆的熒光粉受藍光激發時，因熒光粉的轉化效率尚未達到100%，另外由于散射等其它損耗的存在，熒光粉顆粒本身也會有少量的熱量釋放，容易形成局域熱量累積，為此當熒光粉材料轉化效率較低時，還需為熒光粉提供散熱通道，防止熒光粉顆粒局域熱的生成。下面通過傳統熒光粉涂覆方式和熱隔離封裝方式兩組實驗對比了解兩種結構中芯片和熒光粉的熱相互作用。

1. LED芯片對熒光粉的加熱
為了*價LED芯片對熒光粉熱性能方面的影響，我們制作了兩組白光LED封裝結構，一組采用傳統的熒光粉涂覆方式，另一組采用熱隔離的熒光粉涂覆方式，圖1是該熱隔離封裝結構的剖面制樣圖。

傳統白光LED橫截面圖示(a)熒光粉熱隔離封裝結構(b)，h=1mm

圖1 傳統白光LED橫截面圖示(a)熒光粉熱隔離封裝結構(b)，h=1mm

熒光粉熱隔離封裝結構是通過熒光粉覆膜的方式實現的。熒光粉覆膜技術是我們提出的一種新型熒光粉涂覆方法，即根據出光要求設計好熒光粉膜層的結構，在專用模具內完成熒光粉膜層的成型，剝離后，將熒光粉膜層轉移到LED芯片上方，同時LED芯片和熒光粉膜層中間還有一層低導熱系數的硅膠層。為了表明兩種封裝結構熱性能上的差別，我們比較了兩種封裝結構表面的溫度分布圖。圖2是兩種封裝結構在200、350和500mA直流驅動下表面IR Camera測得溫度徑向分布。在200 mA驅動電流下時，熱隔離封裝結構比傳統封裝方式中心溫度低1.6℃。在350mA和500mA注入電流下時，熒光粉層的溫差分別達到了8.5℃和 16.8℃，并且在500mA注入電流下時，傳統結構熒光粉的表層最高溫度已經達到130.2℃。另外，熱隔離封裝結構整個熒光粉表層的溫度都很均勻，而傳統結構中熒光粉中心溫度較高，在大電流時尤為明顯。

我們通過有限元模擬來分析封裝結構中的參數變化對白光LED性能的影響。結果表明，可以通過封裝結構設計及封裝材料熱導率調整來調控熒光粉層的溫度。圖3是LED熱隔離封裝結構中的溫度縱向分布，熒光粉層的溫度通過引入的熱隔離硅膠層大大降低了。

傳統結構和熱隔離結構中熒光粉表面的溫度曲線，紅色為實驗值，藍色為模擬值

圖2 傳統結構和熱隔離結構中熒光粉表面的溫度曲線，紅色為實驗值，藍色為模擬值

熱隔離封裝結構中，樣品沿h2方向的徑向溫度分布(h2=1mm)

圖3 熱隔離封裝結構中，樣品沿h2方向的徑向溫度分布(h2=1mm)

綜上所述，降低熒光粉層溫度的有效辦法是在芯片與熒光粉層之間引入低導熱的熱隔離層，尤其對于更大功率的LED器件而言，對熒光粉的熱控制技術顯得尤為重要。

2．熒光粉局域熱效應
熒光粉層并不是具有均勻熱導率的單一介質，而是由熒光粉顆粒與低導熱的硅膠混合而成，每顆熒光粉顆粒由硅膠包裹而成。我們的研究結果表明熒光粉顆粒在不同的轉化效率下(即不同的釋熱量)芯片和熒光粉的溫場分布。在熒光粉轉化效率高(>80%)的情況下，熒光粉的溫度主要受芯片加熱的影響。熒光粉距離芯片越近，溫度越高，熱隔離的措施能有效降低熒光粉的溫度。在熒光粉顆粒發熱明顯的情況下，由于包裹熒光粉顆粒是低導熱率的硅膠，熒光粉顆粒會形成局域熱量，使得熒光粉顆粒的溫度升高，甚至超過芯片的溫度。而出現熒光粉局域熱量的條件是熒光粉的低轉化效率，導致熒光粉釋熱大。

在實際的LED封裝結構中，熒光粉的轉化效率高，熒光粉的溫度主要是由于芯片的加熱作用，熒光粉與芯片直接有效的熱隔離能明顯降低熒光粉的溫度。進一步降低熒光粉層的溫度可以通過提高熒光粉層的導熱率來實現。

為了表明兩種封裝結構對白光LED光色性能的影響，我們把LED白光光譜中藍光波段(Blue) 和黃光波段(Yellow)提取出來，以藍光波段光譜和黃光波段光譜的積分量比例值(B/Y)作為光譜*價依據。圖4表明的是電流從50mA到 800mA，兩種情況下B/Y值跟注入電流的關系，B/Y值的變化反映了白光LED光色的變化，在圖6中，我們展示了兩種結構中光通量、色溫(CCT)跟注入電流的變化關系。兩種封裝結構中，注入電流在達到300mA以前，兩者光通量的值幾乎沒發生變化，隨著注入電流的繼續升高，熱隔離封裝結構顯示了更好的光飽和性能。色溫CCT反映了白光LED光色的表現性能，注入電流從50mA增加到800mA，熱隔離結構的LED色溫僅變化253K，而傳統結構 LED色溫變化達1773K。圖5中B/Y值的變化也反映了這種趨勢，熱隔離封裝結構在較大的電流變化范圍內B/Y值變化很小，而傳統結構中B/Y值的變化很大。在傳統結構中，電流越大時，B/Y值也隨著增大，這說明隨著電流增加，LED光譜中藍光成分增強，而將藍光轉化為黃光的熒光粉轉化效率下降。而造成熒光粉轉化效率下降的一個重要原因就是芯片對熒光粉的加熱，造成了熒光粉溫度上升。

兩種封裝結構中白光LED光譜中藍光段