LED封裝中熱沉及熱電制冷器材料的研究進(jìn)展＊

鐘達(dá)亮，秦 紅，王長(zhǎng)宏，肖澤成

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

LED封裝中熱沉及熱電制冷器材料的研究進(jìn)展＊

鐘達(dá)亮，秦 紅，王長(zhǎng)宏，肖澤成

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

在深刻分析熱沉和熱電制冷散熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)兩種散熱器件的理論分析，詳細(xì)描述了熱沉及熱電制冷器應(yīng)用于LED封裝上的研究進(jìn)展．通過(guò)建立理論熱模型及運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，研究材料因素對(duì)散熱性能的影響．在材料的應(yīng)用上，對(duì)熱沉中的Al/SiC材料及熱電制冷器中的Pb Te晶體材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究．指出熱沉及熱電制冷器的優(yōu)化不僅要考慮內(nèi)部材料和幾何形狀，更要考慮熱沉、熱電制冷器和風(fēng)扇等外部組合情況．

發(fā)光二極管（LED）；材料；熱沉；熱電制冷器；優(yōu)化

LED（發(fā)光二極管）照明，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件．與傳統(tǒng)光源一樣，固態(tài)照明光源在工作期間由于電流在二極管中流動(dòng)而產(chǎn)生熱量，只要電流連續(xù)流動(dòng)，熱量就不斷產(chǎn)生[1]．對(duì)于高亮度LED而言，需要消耗更大的電功率以驅(qū)動(dòng)LED，其結(jié)果是帶來(lái)更大的電流流經(jīng)LED．而目前LED的發(fā)光效率依然較低，例如綠光等的發(fā)光效率只有30%～40%，有接近60%～70%的電功率轉(zhuǎn)化成了熱量并從LED芯片中散發(fā)出去[2]．若以典型的大功率LED來(lái)計(jì)，其芯片的表面積約1 mm2，而其總的功率消耗為1 W，LED的平均發(fā)光效率為20%，由此可知LED芯片處的熱流密度能夠達(dá)到80 W/cm2，隨著LED功耗的增大，熱流密度顯然將會(huì)超過(guò)80 W/cm2[3]．高熱流密度將造成結(jié)點(diǎn)溫度的升高．與白熾燈可以工作在1000℃下不同，LED器件的結(jié)點(diǎn)溫度必須在125℃以下[4]．高的結(jié)點(diǎn)溫度將會(huì)給LED帶來(lái)量子效率降低、發(fā)光效率降低、峰值波長(zhǎng)偏移和使用壽命嚴(yán)重縮短[5]等不良影響．

為獲得LED工作的可靠性和最佳性能表現(xiàn)，合理有效的熱管理是重要的，也是完全必需的．從高溫點(diǎn)往低溫點(diǎn)的傳熱主要包括三種方式，導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射．從大體上來(lái)講，將近90%甚至更多的熱能通過(guò)導(dǎo)熱方式從LED芯片直接散發(fā)出去，而通過(guò)輻射散發(fā)出去的熱量很少[6]．對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)與外界空氣而言，熱對(duì)流是一個(gè)重要的傳熱方式，它不僅可以發(fā)生在自然條件下也可以發(fā)生在強(qiáng)迫條件下．作為高效率光源，LED的熱管理要求使用能耗少甚至無(wú)額外能耗的散熱方法．盡管如此，大功率封裝光源不斷增加的熱負(fù)荷使得僅靠這種方法來(lái)散熱難以達(dá)到理想的效果，因此往往輔以風(fēng)扇，與熱沉一起使用．為滿足LED封裝中尺寸小、響應(yīng)時(shí)間快的要求，熱電制冷將是一個(gè)理想的熱管理方法[7]．熱電制冷設(shè)備能夠與LED封裝良好結(jié)合并且可以使LED保持恒定溫度，因?yàn)闊犭娭评淦某叽缈梢宰龅煤苄〔⑶揖哂锌斓捻憫?yīng)時(shí)間，如今，熱電制冷器正緊跟大功率LED的發(fā)展步伐．

對(duì)于不同功率的LED器件而言，其芯片產(chǎn)生熱的熱流密度有大有小，為控制其結(jié)點(diǎn)溫度均需采用一定的散熱方式來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的熱管理．熱沉和熱電制冷器這兩種散熱設(shè)備具有的不同的散熱性能正好迎合了不同功率LED散熱的需要，從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)的方法可以分析得出適合不同功率等級(jí)下LED的熱管理方法．

1 LED封裝中熱沉的研究進(jìn)展

在導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種基本傳熱方式中，每一種方式的傳熱熱流量都與傳熱面積A成正比，所以增大傳熱面積是提高傳熱量的一種有效途徑[8]．在電子設(shè)備封裝熱管理中，為了增大散熱面積，采用了各種形式的熱沉．具有一定形狀、尺寸的熱沉也廣泛用于LED的封裝散熱．

1．1 熱沉散熱熱阻理論

如圖1所示，有熱流量大小為Ф0的熱流流經(jīng)熱沉底部，由底部經(jīng)導(dǎo)熱過(guò)程進(jìn)入根部，在根部分流成兩股熱流Ф1和Ф2分別經(jīng)根部與環(huán)境空氣進(jìn)行對(duì)流、熱交換及經(jīng)肋片導(dǎo)熱最終經(jīng)肋片側(cè)面對(duì)流換熱流入環(huán)境中．對(duì)應(yīng)于圖2展示的是熱沉肋片部分的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型．

圖1 熱沉散熱熱流示意圖

圖2 肋片部分的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型

因熱沉底座側(cè)面面積遠(yuǎn)小于底部橫截面積，可略去從側(cè)面散去的熱量，即熱量全部經(jīng)導(dǎo)熱進(jìn)入肋片根部及肋片側(cè)面；肋片表面上的換熱熱阻1/h遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于肋片中的導(dǎo)熱熱阻δ/λ，因而在等高度的截面上肋片溫度可認(rèn)為是均勻的；肋片頂上可視為絕熱；材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h以及沿肋高方向的橫截面積Ac均為常數(shù)．根據(jù)以上簡(jiǎn)化，所建模型為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，肋片的等效熱阻：

式（1）中，Rr為肋片根部散熱部分的熱阻，K/W；Rf為肋片側(cè)面部分散熱的熱阻，K/W．

1．2 熱沉研究進(jìn)展

James M．Fusaro[9]等人研究了 Al/SiC材料，該材料具有低的熱擴(kuò)散性即低的熱應(yīng)力、高硬度、低密度和高導(dǎo)熱性等特點(diǎn)．Al/SiC作為熱沉材料用于高功率混合封裝，網(wǎng)狀鑄造的Al/Sic加強(qiáng)了熱交換器與封裝本身的結(jié)合．在熱沉與其他組件間結(jié)合的優(yōu)化上，F(xiàn)arhad Sarvar等人[10]的研究表明，Al/SiC基板具有低密度，低熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，熱沉翅片直接安裝在基板上可以減輕重量；Maurice F．Holahan[11]在對(duì)熱沉與風(fēng)扇組合的研究結(jié)果表明，在規(guī)定的空間位置上，當(dāng)翅片的幾何形狀固定時(shí)，獲得最大的系統(tǒng)熱導(dǎo)率的方法是使風(fēng)扇和熱沉在體積上達(dá)到平衡，即當(dāng)翅片數(shù)量增加時(shí)必須增大風(fēng)扇直徑才有效，只有同時(shí)考量風(fēng)扇的體積才能在最高翅片熱導(dǎo)率或者限定體積下的最大熱沉效率層面上對(duì)熱沉進(jìn)行優(yōu)化．Puqi Ning[12]等人介紹了一種優(yōu)化模型，包括熱沉、風(fēng)扇及流道，該模型能夠準(zhǔn)確模擬熱沉－風(fēng)扇散熱系統(tǒng)的性能表現(xiàn)．并在此基礎(chǔ)上發(fā)掘了優(yōu)化步驟用以獲得熱沉－風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的最小重量．Amit Shah等人[13]在熱沉的整體優(yōu)化上，采用沿高度方向切除中間部分肋片的方法形成高度遞降可以減小壓差阻力，減小壓力降．

2 LED封裝熱管理中的熱電制冷器

2．1 熱電制冷器的工作原理

熱電制冷是主要是帕爾貼效應(yīng)在制冷方面的應(yīng)用．實(shí)用的熱電制冷裝置是由熱電效應(yīng)比較顯著、制冷效率比較高的半導(dǎo)體熱電偶構(gòu)成（如圖3所示）．把一只p型半導(dǎo)體元件和一只n型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫度和熱量的轉(zhuǎn)移．在上面的接頭處，電流方向是從n流向p，溫度下降并且吸熱，這是冷端；而在下面的接頭處，電流方向是從p流向n，溫度上升并且放熱，這是熱端．

圖3 熱電制冷原理圖

2．2 熱電制冷器的研究進(jìn)展

Sung Ki Kim等人[14]對(duì)一種采用熱電制冷的大功率LED陣列封裝模塊的散熱性能進(jìn)行了研究．結(jié)果表明，熱電制冷器能顯著降低LED的工作溫度，與不采用熱電制冷器相比，結(jié)點(diǎn)溫度降低了36%以上．但熱電制冷器應(yīng)用于電子芯片的散熱尚有一些急需改進(jìn)和突破的地方，提高熱電材料的制冷效率、優(yōu)化熱電冷卻器的運(yùn)行工況以及合理結(jié)合其它散熱方式是熱電冷卻電子芯片研究的重點(diǎn)[15]．Jen－Hau Cheng[16]等人運(yùn)用硅片熱電制冷器對(duì)大功率LED進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，熱電制冷器冷面接導(dǎo)熱材料，熱面接熱沉，通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體二極管的正向偏壓降來(lái)得到LED結(jié)點(diǎn)溫度，測(cè)試結(jié)果表明，采用12塊熱電制冷片制成的制冷器能使熱電制冷器冷側(cè)與周邊環(huán)境的溫差達(dá)到11．5℃．

在熱電材料的研究方面，Jose．M[17]的研究表明，在熱電半導(dǎo)體材料中，熱電能、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性歸根結(jié)底是與載流子濃度有關(guān)，載流子濃度可由不純度控制．因此，可通過(guò)優(yōu)化載流子濃度來(lái)達(dá)到最大轉(zhuǎn)換效率的目的．Z．Dashevsky等人[18]對(duì)Pb Te晶體的研究表明，熱電制冷的轉(zhuǎn)換效率由優(yōu)值Z來(lái)評(píng)價(jià)，n型Pb Te摻雜銦的合金已經(jīng)被證明具有好的熱電性能．但在溫度50～600℃下，摻雜碘的同類型Pb Te晶體能夠獲得比分級(jí)n型摻雜銦的Pb Te晶體高出12%的轉(zhuǎn)換效率．Gael Sebald等人[19]對(duì)熱電材料轉(zhuǎn)換效率的研究表明，無(wú)論材料具有何種特性，其熱電轉(zhuǎn)換效率在理論上均能達(dá)到卡諾循環(huán)的效率，盡管如此，在實(shí)際中熱電轉(zhuǎn)換效率卻受材料限制．

0．75Pb（Mg1/3Nb2/3）O3－0．25Pb TiO3，SSHi（逆變系數(shù)為0．8）是能達(dá)到高于卡諾循環(huán)效率50%的熱電材料．Y．Gelbstein[20]將p型銻鎘化鉛合金應(yīng)用在50～600℃的熱電制冷領(lǐng)域，通過(guò)在Pb1－xSnxTe中改變混合物成分來(lái)控制載流集中度進(jìn)而優(yōu)化熱電制冷的性能．在Pb0．5Sn0．5Te中混合其他不同水平的銦集中可以降低載流子濃度．隨著摻雜濃度由0．5%到0．1%再到0．03%，功率因數(shù)及熱電優(yōu)值系數(shù)能夠達(dá)到最大，使不同溫度區(qū)域內(nèi)的熱電轉(zhuǎn)換效率提高．通過(guò)電沉積人工合成的納米熱電材料具有低成本、接近室溫操作，調(diào)節(jié)材料特性的特點(diǎn)．Feng Xiao等人[21]研究了熱電薄膜的電沉積方法以及Bi，Bi1－x及Bi2Te3的納米材料．

在熱電制冷散熱設(shè)計(jì)方面，Todd Wey等人[22]基于有限元理論解決三維Navier－Stokes方程用商業(yè)固體模型軟件CFD模擬熱電制冷器的性能．在此次設(shè)計(jì)中，穩(wěn)流和瞬間流同時(shí)涉及到，設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容：1）計(jì)算TEC的設(shè)計(jì)冷卻量；2）對(duì)熱沉熱阻、風(fēng)扇和空氣管道熱阻進(jìn)行計(jì)算及優(yōu)化；3）TEC設(shè)計(jì)，使用Marlow的熱電模塊內(nèi)部軟件得到優(yōu)化后的TEC．該軟件使用基本的熱電方程，使用Marlow特有的熱電材料特性和其它基本的TEC組件特性來(lái)優(yōu)化TEC性能．

在熱電制冷器參數(shù)及其測(cè)量的研究上，W．SEIFERT等人[23]通過(guò)建立熱電制冷器的一維穩(wěn)態(tài)熱分析模型研究相對(duì)電流密度u（T）這一參數(shù)對(duì)制冷量及制冷效率的影響關(guān)系，結(jié)果表明，相對(duì)電流密度為不同類的TE設(shè)備的優(yōu)化提供了一個(gè)新的參數(shù)，兼容性概念提及并應(yīng)用到功能級(jí)配材料上，成功演繹了u（T）的微分方程，建立了整體效率關(guān)于電流密度的函數(shù)A．Chakraborty等人[24]討論在給定溫差下通過(guò)單一分級(jí)冷卻單元測(cè)試得到冷卻能力和能效比之間的關(guān)系．熱電設(shè)備的性能用經(jīng)典的溫度－熵關(guān)系來(lái)描述．在熱電制冷器中湯姆森熱被首次應(yīng)用作為性能評(píng)價(jià)的一部分．研究結(jié)果表明，熱電制冷器的冷端對(duì)總的耗散貢獻(xiàn)估計(jì)在5%～7%．

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）在低的對(duì)流換熱系數(shù)下LED的主要熱阻來(lái)自于封裝、熱界面材料和環(huán)氧絕緣層．為了不影響光通量，應(yīng)將焦點(diǎn)集中在提供最大的對(duì)流換熱效率上，用熱沉和熱電制冷組合冷卻是值得考慮的有效措施．

（2）在強(qiáng)化傳熱方面，應(yīng)優(yōu)先采用增大換熱面積的方法，在材料的選用上使用鋁片就足夠了．在設(shè)計(jì)高性能熱沉方面，最主要的是理解主要的系統(tǒng)規(guī)定參數(shù)如體積和壓力的使用極限．熱沉的優(yōu)化應(yīng)同時(shí)考慮風(fēng)扇對(duì)熱沉熱導(dǎo)率的影響，風(fēng)扇直徑過(guò)大，熱沉空間不夠；風(fēng)扇直徑過(guò)小，由于在風(fēng)扇附近存在集中流，熱沉性能會(huì)受到限制．

（3）熱電制冷器的熱電轉(zhuǎn)換效率受材料限制，通過(guò)電沉積方法制成的納米熱電材料具有成本優(yōu)勢(shì)，較大程度上改善了熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率．采用模擬工具對(duì)熱電制冷器進(jìn)行性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化可以大大節(jié)約時(shí)間，降低成本．熱電制冷器模型的建立是關(guān)鍵，該模型既包括材料的電流、電壓等電領(lǐng)域模型也包括溫度、功率等熱領(lǐng)域模型．

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Research progress on heatsink and thermoelectric devices materials applied in the LED packaging

ZHONG Da－liang，QIN Hong，WANG Chang－h(huán)ong，XIAO Ze－cheng
（Faculty of Materials and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Based on the study of the principle of the heatsink and the thermoelectric device，the intensive analysis of the cooling principle of heatsink and thermoelectric refrigeration and theory of these two cooling devices，progress in research of heatsink and thermoelectric device applied in LED packaging is described in detail．The theoretic thermal models are built and the numerical simulation method is utilized to evaluate the cooling performance of heatsink and thermoelectric device mainly due to the material factor．For the material application research，the performance of Al/SiC heatsink and the Pb Te crystal thermoelectric device are analyzed by the experiment method．It is pointed out that not only the factors of interior material and geometric shape should be considered for the optimization of heatsink and thermoelectric device but also the combination ways of heatsink，thermoelectric device and fan．

light emitting diode（LED）；material；heatsink；thermoelectric device；optimization

TN305．94

A

1673－9981（2010）04－0343－05

2010－10－13

廣東工業(yè)大學(xué)校級(jí)博士啟動(dòng)基金（405095237）

鐘達(dá)亮（1986—），男，江西吉安人，碩士研究生．