大功率LED散熱技術研究
王敬陽 張建新 天津工業大學信息與通信工程學院，天津 300160
摘要：如何提高大功率LED的散熱能力，是LED器件封裝和器件應用設計要解決的核心問題。介紹并分析了國內外大功率LED散熱封裝技術的研究現狀，總結了其發展趨勢與前景用途
關鍵詞：大功率LED；散熱；封裝
1. 引言
發光二極管（LED）誕生至今，已經實現了全彩化和高亮度化，并在藍光LED和紫光LED的基礎上開發了白光LED，它為人類照明史又帶來了一次飛躍。發光二極管（LED）具有低耗能、省電、壽命長、耐用等優點，因而被各方看好將取代傳統照明成為未來照明光源。
而大功率LED作為第四代電光源，賦有“綠色照明光源”之稱，具有體積小、安全低電壓、壽命長、電光轉換效率高、響應速度快、節能、環保等優良特性，必將取代傳統的白熾燈、鹵鎢燈和熒光燈而成為21世紀的新一代光源。普通LED功率一般為0.05W，工作電流為20mA，大功率LED可以達到1W，2W，甚至數十瓦！工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等。其特點具有體積小、耗電小、發熱小、壽命長、響應速度快、安全低電壓、耐候性好、方向性好等優點。 外罩可用PC管制作，耐高溫達135度，低溫-45度。廣泛應用在油田、石化、鐵路、礦山、部隊等特殊行業、舞臺裝飾、城市景觀照明、顯示屏以及體育場館等，特種工作燈具中的具有廣泛的應用前景。但由于目前大功率白光LED的轉換效率還較低，光通量較小，成本較高等方面因素的制約，因此大功率白光LED短期內的應用主要是一些特殊領域的特種工作燈具，中長期目標才能是通用照明領域。然而，隨著功率增加，LED所產生電熱流之廢熱無法有效散出，導致發光效率嚴重下降。LED發光效率會隨著使用時間及次數而降低，而過高的接面溫度則會加速LED發光效率衰減，故散熱成LED器件封裝和器件應用設計要解決的核心問題。
2. 熱效應對大功率LED的影響
對于單個LED而言．如果熱量集中在尺寸很小的芯片內而不能有效散出，則會導致芯片的溫度升高，引起熱應力的非均勻分布、芯片發光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當溫度超過一定值時，器件的失效率將呈指數規律攀升，元件溫度每上升2℃，可靠性將下降l0％。為了保證器件的壽命，一般要求pn結的結溫在110℃以下。隨著pn結的溫升，白光LED器件的發光波長將發生紅移據統計資料表明，在100℃的溫度下，波長可以紅移4～9 nm，從而導致YAG熒光粉吸收率下降，總的發光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高l℃，LED的發光強度會相應減少l％左右，當器件從環境溫度上升到l20℃時，亮度下降多達35％。當多個LED密集排列組成白光照明系統時，熱量的耗散問題更嚴重。因此解決散熱問題已成為功率型LED應用的先決條件。
3. 國內外的研究進展
散熱的基本途徑主要有以下三種：熱傳導、對流、輻射。與其它固體半導體器件相比，LED器件對溫度的敏感性更強。由于受到芯片工作溫度的限制，芯片只能在125℃以下工作，因此器件的熱輻射效應基本可以忽略不計，熱傳導和對流是LED散熱的主要方式。在散熱設計時先從熱傳導方面考慮，因為熱量首先從LED封裝模塊中傳導到散熱器。
針對高功率LED的封裝散熱難題國內外器件的設計者和制造者提出許多方法。現在傳統散熱方法有：鰭片散熱、風冷、液冷、熱管散熱、半導體制冷等。現在有些新方法也被陸續提出來，比如超聲制冷、超導制冷以及將多種散熱方法有效集成在一個器件之中。下面簡單介紹幾種常見散熱方法。
3.1被動鰭片法
散熱鰭片擔負著將發熱物體產生的熱量散發到周圍空氣中的使命。散熱片通過和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導到散熱片，散熱片通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導體。散熱片性能主要和材料的導熱系數、總散熱面積及形狀設計有關。材料導熱系數越高，傳熱能力越強，一般金屬的傳熱性能順序為：銀，銅，金，鋁。散熱鰭片形狀可設計成多種陣列，如條形陣列、圓柱針狀陣列等，如圖1所示鰭片法是目前經常用的方式，結構簡單；它的缺點就是散熱效率低，散熱能力有限，易受積塵等影響使散熱效率降低。
3.2傳統的主動式散熱法
主動式散熱法包括風冷和夜冷，但主要使用風冷。風冷主要是使用風扇進行強制的對流使熱量散發。因其安裝簡便、成本較低、散熱效果明顯、適應性強、產品更新換代靈活等特點成為當今散熱技術的主流。通常使用散熱片和風扇結合的方式，散熱片充分擴展的表面使熱對流面積大大增加，同時風扇增加對流系數從而散發更多的熱量。如圖2所示。但是它的缺點就是會需要額外的一個功耗，要增加它的能耗，系統的可靠性、穩定性就好下降，而且它受惡劣環境的影響，它的性能也會發生變異。
3.3傳統的熱管技術
熱管利用蒸發散熱，使得熱管兩端溫度差很大，熱量傳導迅速，利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內部被抽成負壓狀態，充入適當的液體，這種液體沸點低，容易揮發。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構成。熱管一端為蒸發端，另外一端為冷凝端，當熱管一端受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發端，如此循環不止，熱量由熱管一端傳至另外一端，如圖3所示。但其需結合其他散熱方式導致它的成本增加。
3.4 小結
目前，隨著功率型LED的亮度提升，驅動電流的日益增大，解決散熱問題已成為大功率LED
實現產業化的先決條件。總的來說，具有低熱阻、良好散熱能力以及低機械應力的新式封裝結構是封裝體的技術關鍵。
4. 發展趨勢
大功率白光LED具有很多優點，其應用面不斷擴大，可預見未來將進入普通照明領域，具有強大的市場潛力。對于LED的研究和開發，國際著名的照明公司均給予了其足夠的重視，并斥巨資投究與開發，研究的焦點主要集中在新發光材料、封裝材料等：Philips照明公司與HP公司合資的Lumileds Lighting公司；美國Cree、德國Siemens和Osram聯合；美國GE公司與Emcore公司合資的Gelcore公司；日本的日亞（Nichia）、Toshiba和Honda聯合等均投入大量人力、物力、財力進行研究，以期在這一新世紀光源領域占領制高點，如表1所示。我國LED產業從上世紀七十年代開始，一直緊跟世界LED產業發展的步伐。特別是近幾年來，由于國家的重視，863光電子項目的投入，大學、科研機構加大研發力度，各地方政府及企業投入增加，LED發展已具有一定的規模，并形成LED的產業鏈。
尤其最近幾年在大功率高亮度LED封裝技術上的突破和材料加工技術的實用化，連帶創造了很多應用產品：顯示屏、照明、交通信號燈、汽車用燈、背光源等。總而言之，目前的大功率高亮度LED已經
在背光源、顯示屏、特種照明、信號燈等領域得到很好的推廣，普通照明和汽車前照燈等領域還處于剛剛起步的階段。但是隨著大功率高亮度LED技術的飛速發展，一旦解決了在技術和成本上的問題，將會對傳統的照明光源提出挑戰，LED成為普通照明光源的時日會越來越近。