LED散热(芯片、散热基板、散热器)

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1、LED散熱(芯片、散熱基板、散熱器)LED的散熱現在越來越為人們所重視，這是因為LED的光衰或其壽命是直接和其結溫有關，散熱不好結溫就高，壽命就短，依照阿雷紐斯法則溫度每降低10℃壽命會延長2倍。從Cree公司發佈的光衰和結溫的關係圖（圖1）中可以看出，結溫假如能夠控制在65°C，那麼其光衰至70％的壽命可以高達10萬小時！這是人們夢寐以求的壽命，可是真的可以實現嗎？是的，只要能夠認真地處理它的散熱問題就有可能做到！遺憾的是，現在實際的LED燈的散熱和這個要求相去甚遠！以致LED燈具的壽命變成了一個影響其性能的主要問題，所以必須要認真對待！圖1.光衰和結溫的

2、關係而且，結溫不但影響長時間壽命，也還直接影響短時間的發光效率，例如Cree公司的XLamp7090XR-E的發光量和結溫的關係如圖2所示。17 假如以結溫為25度時的發光為100%，那麼結溫上升至60度時，其發光量就只有90%；結溫為100度時就下降到80%；140度就只有70%。可見改善散熱，控制結溫是十分重要的事。    除此以外LED的發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；熱應力增高；螢光粉環氧樹脂老化加速等等種種問題，所以說，LED的散熱是LED燈具的設計中最為重要的一個問題。    第一部分LED晶片的散熱

3、    一.結溫是怎麼產生的    LED發熱的原因是因為所加入的電能並沒有全部轉化為光能，而是一部分轉化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W，其電光轉換效率大約只有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結溫的產生是由於兩個因素所引起的。    1．內部量子效率不高，也就是在電子和空穴複合時，並不能100％都產生光子，通常稱為由“電流洩漏”而使PN區載流子的複合率降低。洩漏電流乘以電壓就是這部分的功率，也就是轉化為熱能，但這部分不占主要成分，因為現在內部光子效率已經接近90％。    2．內部產生的光子無法全

4、部射出到晶片外部而最後轉化為熱量，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，大部分都轉化為熱量了。    雖然白熾燈的光效很低，只有15lm/W17左右，但是它幾乎將所有的電能都轉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晶片到底板的散熱    LED晶片的特點是在極小的體積內產生極高的熱量。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出去，否則就會產生很高的結溫。為了盡可能地把熱量引出到晶片外面，人們在LED的晶片結構上進行了很多改進。    為了改善LED晶片

5、本身的散熱，其最主要的改進就是採用導熱更好的襯底材料。早期的LED只是採用Si矽作為襯底。後來就改為藍寶石作為襯底。但是藍寶石襯底的導熱性能不是太好，（在100°C時約為25W/（m-K）），為了改善襯底的散熱，Cree公司採用碳化矽矽襯底，它的導熱性能（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，而銀膠的導熱也很差。而碳化矽的唯一缺點是成本比較貴。目前只有Cree公司生產以碳化矽為襯底的LED。 採用碳化矽作為基底以後，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。最近國內的廠商開始採用矽材料作為基底。因為矽材料的基底

6、不受專利的限制。而且性能還優於藍寶石。唯一的問題是GaN的膨脹係數和矽相差太大而容易發生龜裂，解決的方法是在中間加一層氮化鋁（AlN）作緩衝。襯底材料導熱係數W/(m·K)膨脹係數(x10E-6)穩定性導熱性成本ESD(抗靜電)碳化矽(SiC)490-1.4良好高好藍寶石(Al2O3)461.9一般差為SiC的1/10一般17矽(Si)1505~20良好為藍寶石的1/10好    LED晶片封裝以後，從晶片到管腳的熱阻就是在應用時最重要的一個熱阻，一般來說,晶片的接面面積的大小是散熱的關鍵，對於不同的額定功率，要求有相應大小的接面面積。也就表現為不同的熱阻。

7、幾種類型的LED的熱阻如下所示：類型草帽管食人魚1W面發光熱阻 ºK/W150-200508-155    早期的LED晶片主要靠兩根金屬電極而引出到晶片外部，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細的金屬導線引出去，所以散熱效果很差，熱阻很大，這也就是為什麼這種草帽管的光衰很嚴重的原因。此外，封裝時採用的材料也是一個很重要的問題。小功率LED通常採用環氧樹脂作為封裝材料，但是環氧樹脂對400-459nm的光線吸收率高達45%，很容易由於長期吸收這種短波長光線以後產生的老化而使光衰嚴重，50%光衰的壽命不到1萬小時。因而在大功率LED中必須

8、採用矽膠作為封裝材料。矽膠對同樣波長光線的吸收率不到