LED燈的散熱問題研究*

付賢政 胡良兵

(1.安徽國防科技職業(yè)學院，六安237011;2.中國科學院等離子體物理研究所低溫工程與技術研究室，合肥230031)

1 引言

LED是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED具有體積小、耗電量低、使用壽命長、高亮度、低熱量、環(huán)保、堅固耐用等諸多優(yōu)點，這使得LED光源在傳統(tǒng)光源面前具有巨大的優(yōu)勢，因而被廣泛使用。LED芯片的表面面積較小，工作時電流密度大，且用于照明時往往要求多個LED組合而成，LED密集度大，導致芯片發(fā)熱密度高。而結溫上升會導致光輸出減少，芯片加快蛻化，縮短器件壽命。發(fā)光二極管隨結溫的上升向長波方向漂移。如果要考慮到實際應用中對色漂移的不良影響，熱設計也要對最高結溫進行限制。由于LED芯片輸入功率的不斷提高，對這些功率型LED的封裝技術就提出了更高的要求。如今散熱問題已成為制約高功率LED發(fā)展的關鍵因素。特別對于應用到汽車車燈上，由于結構設計要符合車型審美的限制進一步惡化了LED的散熱環(huán)境，所以對于LED汽車燈的散熱問題需要特殊考慮。

2 LED散熱研究

2.1 LED燈具熱量傳遞過程

對于一個LED燈具，熱量首先從LED芯片產(chǎn)生，然后通過熱傳導、對流、輻射三種方式進行傳遞。結合燈具的實際結構來看，熱傳導是最主要的傳熱方式，因此設計人員在考慮如何提高LED燈具的散熱性能的時候，主要是通過改變LED燈具系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的熱傳導能力來達到目的的。

圖1 LED系統(tǒng)結構示意

圖1是兩個典型LED系統(tǒng)的結構示意［1］，可以看出LED燈具系統(tǒng)散熱性能的好壞直接由LED—線路板—空氣的熱阻的大小決定，而這個通道中又涉及到三個主要環(huán)節(jié):(1)LED器件自身熱阻的大小，直接影響到芯片產(chǎn)生的熱量能否導出到支架或熱沉上，需要從LED封裝結構、封裝材料、制作工藝方面來提高LED散熱性能;(2)從LED到線路板的熱阻，往往由線路板的材料、LED之間的間距、電阻的分布、LED與線路板的連接方式?jīng)Q定;(3)如果線路板到空氣的熱阻過大，即使熱量都從芯片傳到金屬線路板上，聚焦的熱量會使線路板的溫度急劇上升，導致溫度過高，增加了LED失效的可能性，造成LED光衰加劇、壽命縮短。因此，我們從這三方面提高LED燈具的散熱能力，從而控制LED結溫在一定范圍內(nèi)。

2.2 LED系統(tǒng)各環(huán)節(jié)散熱

2.2.1 LED內(nèi)部散熱

對于LED器件自身的內(nèi)部散熱，由于P-N結產(chǎn)生的熱量絕大部分通過襯底、粘合劑和熱沉傳到外界，所以內(nèi)部散熱的改進就牽涉到芯片襯底、粘合劑、熱沉等的選材以及制作工藝、封裝結構的設計。

最先能想到也是最簡單的就是提高內(nèi)部襯底、粘合劑、熱沉的熱導率，同時增大傳熱面積，這樣可以降低熱阻。但是受到空間限制，傳熱面積的增大受到限制，同時內(nèi)部材料的選取也受到材料性能、價格、工藝水平等各方面因素影響。

對于粘貼材料而言，選用合適的芯片襯底粘貼材料并在批量生產(chǎn)工藝中保證粘貼厚度盡量小，對保證器件的熱導特性是十分重要的。通常選用導熱膠、導電型銀漿和錫漿這三種材料進行粘貼。導熱膠導熱特性較差，導電型銀漿既有良好的導熱特性，又有較好的粘貼強度。但由于銀漿在提升高度的同時會發(fā)熱，且含鉛等有毒金屬，因此并不是粘貼材料的最佳選擇。與前兩者相比，導電型錫漿的導熱特性是三種材料中最優(yōu)的，導電性能也非常優(yōu)越。

Lum ids公司2006年推出的Luxeon K2功率型LED采用了一個銅熱沉來強化散熱，可以達到很好的散熱效果，見圖2。

近年來研究人員提出了所謂硅基倒裝芯片的封裝結構。一般傳統(tǒng)的LED采用正裝結構，上面通常涂敷一層環(huán)氧樹脂，下面采用藍寶石作為襯底。由于環(huán)氧樹脂的導熱能力很差，藍寶石又是熱的不良導體，熱量只能靠芯片下面的引腳散出。因此上下兩面都出現(xiàn)散熱難的問題，影響了器件的性能和可靠性。2001年，LumiLeds公司研制出了AlGalnN功率型倒裝芯片結構。LED芯片通過凸點倒裝連接到硅基上。這樣熱量不必經(jīng)由芯片的藍寶石襯底，而是直接傳到熱導率更高的硅或陶瓷襯底，再傳到金屬底座，由于其有源發(fā)熱區(qū)更接近散熱體，可降低內(nèi)部熱沉熱阻。但是，熱阻與熱沉的厚度成正比，受硅片機械強度與導熱性能所限，很難通過減薄硅片來進一步降低內(nèi)部熱沉的熱阻，制約了其傳熱性能的進一步提高［2］，見圖3。

圖2 Luxeon K2 LED芯片

2.2.2 PCB的選擇對散熱的影響

在LED內(nèi)部的熱量傳遞到外部環(huán)境的過程中，必然要通過基板這一環(huán)節(jié)，所以提高PCB的熱導率對于整個LED系統(tǒng)的散熱具有至關重要的作用。同時PCB還起著對LED芯片的電氣連接和物理支撐的作用，所以對基板的設計要同時考慮電氣和傳熱性能。

大功率LED的基板材料必須有高的電絕緣電阻，高穩(wěn)定性，高熱導率，與芯片相近的熱膨脹系數(shù)以及平整性和一定的強度。少數(shù)金屬或合金能滿足高導熱率低膨脹系數(shù)的要求，為保障電絕緣性，需要涂覆高分子聚合物膜或者沉積一層陶瓷膜。

圖3 硅基倒裝芯片結構

現(xiàn)在各大LED產(chǎn)商一般采用的金屬線路板(MCPCB)結構利用具有極佳熱傳導性質(zhì)的鋁等金屬，將芯片封裝到覆有幾毫米厚銅電極的PCB板上，或者將芯片封裝在有金屬夾層的PCB板上，然后再封裝到散熱片上來解決散熱問題。美國UOE公司的Norlux系列LED，將已封裝的產(chǎn)品組裝在帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上，其中PCB板作LED器件電極連接布線之用，鋁夾層作為熱沉散熱。雖然采用該結構可以獲得良好的散熱特性，并大大提高LED的輸入功率，但夾層中的PCB板是熱的不良導體，阻礙了熱量的傳導。OSRAM公司推出的Golden Dragon系列LED系統(tǒng)，如圖4所示。其結構特點是熱沉與金屬線路板直接接觸，具有很好的散熱性能;其芯片用紅外或回流焊焊接在銅合金熱擴散層上，熱擴散層在焊接在鋁芯的PCB板上。

圖4 Golden Dragon LED

Lam ina Ceram ics開發(fā)的金屬低溫共燒陶瓷(LTCC-M)的多層印刷電路板制造，將多層陶瓷通過低溫燒結在銅鉬銅(CuMoCu)金屬上，共燒收縮率縮小到了大約0.1%，遠遠低于標準LTCC和HTCC工藝的12.7%～15%。鉬銅復合材料具有與芯片相近的熱膨脹系數(shù)，而陶瓷層具有很高的介電性，LED芯片可以直接安裝到金屬板層上。優(yōu)良的導熱性能使Lamina Ceramics可以高密度的排列多個LED發(fā)光點，從而在小面積內(nèi)得到異常高的光強［3］。

2.2.3 PCB端的散熱

LED芯片的熱量通過內(nèi)通路傳給PCB，若PCB直接傳給空氣側的話，傳熱性能會很差。最簡單的方法，就是在PCB側加裝一個散熱片擴大散熱表面，然后再用風扇使空氣強制對流。這樣可以提高LED系統(tǒng)的散熱能力。而這種方式只能適用于較低熱流密度的LED系統(tǒng)，對于高熱流密度則不適用。除此以外，近年來也發(fā)展了以下一些散熱技術應用到LED系統(tǒng):

(1)一些新設計的熱沉能夠進一步提高散熱效果。比如有廠商在LED模塊背面加裝帶有針肋的熱沉，來解決小型LED模塊的散熱問題;同時采用壓電風扇可以進一步提高LED系統(tǒng)散熱能力。

(2)也有人提出采用微熱管來達到散熱。熱管是利用相變強化換熱，傳熱性能好、重量輕，可以在較長距離輸送熱量，適合將熱量從狹小空間散出;而微熱管的引入一方面能夠符合車燈狹小的空間，從而提高了熱量傳遞的效率。但是由于車燈結構的限制，必須使用回路熱管的形式，其缺點是成本太高。

(3)合成微噴技術。該技術利用膜片振動改變周圍氣體壓力，形成射流。當膜片振動頻率在100～200 Hz時，主流區(qū)的最大噴射速度可達30 m/s左右。合成微噴工作時靜質(zhì)量流量為零，可自行完成循環(huán)，不需要額外的循環(huán)部件。就氣冷而言，合成微噴的散熱效率是普通風扇的2～3倍，而能耗不到風扇的一半。合成微噴的冷卻系統(tǒng)比較復雜、成本高，目前不適合應用于LED汽車前照燈。

(4)微槽道散熱技術。上世紀八十年代美國學者Tuckerman和Pease報道了一種槽寬和壁厚均為50μm的微槽道散熱裝置。盡管微槽道技術很早被提出，但缺乏小型微泵成為限制其發(fā)展的重要因素。Goodson等人利用液體電滲驅動循環(huán)，實現(xiàn)了電滲泵。電滲泵無運動部件、能耗小，已經(jīng)證實當熱流為200W時，由電滲泵驅動的微槽道散熱方式可以使溫升降低20度，而泵功耗不到1 W。目前微槽道散熱技術尚未商品化。

(5)熱電制冷散熱技術。熱電制冷不同于上述幾種散熱技術，它可以在局部創(chuàng)造比環(huán)境溫度更低的表面。熱電制冷主要利用帕爾帖效應。但其制冷效率僅相當于卡諾循環(huán)效率的10%，相比其他制冷方式依然偏低。

近些年來研究人員還提出了諸多其他形式的冷卻方式，簡要介紹如下:

Ma等人2005年提出了一種應用于LED陣列的槽道冷卻模塊。他們在LED陣列下連接由MMC(Metal Metric Composite)或者Si材料制做的平板，然后在平板內(nèi)通過微加工技術，形成微槽道，液體在通道中流過，達到散熱的目的。為了強化換熱，他們進一步在通道內(nèi)布置肋片，提高散熱性能。

Lai等人于2006年報道了LED汽車前照燈液冷方案。該液冷系統(tǒng)針對由多個LED組成的車燈模型設計。液冷系統(tǒng)由泵、放置LED器件的冷板、蓄水箱、熱交換器和柔性軟管組成。工作介質(zhì)是含有添加劑的水。工作介質(zhì)從泵流出后先經(jīng)過冷板，再經(jīng)過散熱器，最后回流到泵。其中冷板與IMS結構的熱源相連接，如圖5所示。同時文章指出，對于LED車燈的散熱手段而言，空氣對流冷卻和被動式液體冷卻并不適用。而采用主動冷卻方案可以達到較好的冷卻效果，使LED芯片能夠在正常的溫度下工作。然而這一系統(tǒng)較為復雜，且液體回路在運動環(huán)境下的可靠性問題，使得這一方案目前并沒有用于汽車車燈市場［4］。

圖5 汽車前照燈液冷方案

2006年Sheng Liu等人通過在散熱器上安裝一個微泵系統(tǒng)來解決LED的散熱問題，見圖6。在封閉系統(tǒng)中，水在微泵的作用下進入LED的底板小槽吸熱，然后又回到小的水容器中，通過風扇散熱。這種微泵結構的制冷性較好，但如果內(nèi)部接口熱阻很大，則其熱傳導性能就會大打折扣，此外，其結構也較復雜［5］。

其中微射流裝置如圖7所示。

目前該裝置已經(jīng)用于高功率LED的演示產(chǎn)品中去，但未用于汽車車燈領域。

圖6 LED微泵冷卻

2008年Moo Whan Shin等人采用了一種氣冷系統(tǒng)對汽車車燈進行散熱。該裝置采用空氣冷卻MCPCB板實現(xiàn)散熱，有帶翅片和不帶翅片兩種形式。由于氣流來源與外界，所以散熱效果與汽車行駛速度有很大關系［6］(圖8)。

圖7 微射流裝置

圖8 汽車車燈氣冷系統(tǒng)

3 總結

綜上所述，未來LED系統(tǒng)散熱可以從以下幾個方面進行研究來提高大功率LED的散熱性能［1］:

(1) LED產(chǎn)生熱量的多少取決于內(nèi)量子效應。在氮化鎵材料的生長過程中，應改進材料結構，優(yōu)化生長參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的外延片，從而提高器件內(nèi)量子效率，從根本上減少熱量的產(chǎn)生，加快芯片結到外延層的熱傳導;

(2) 選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MCPCB)、陶瓷、DBC、復合金屬基板等導熱性能好的襯底，以加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。通過優(yōu)化MCPCB板的熱設計、或將陶瓷直接綁定在金屬基板上形成金屬基低溫燒結陶瓷(LTCC—M)基板，可獲得熱導性能好、熱膨脹系數(shù)小的襯底;

(3) 為了使襯底上的熱量更迅速地擴散到周圍環(huán)境，目前通常選用鋁、銅等導熱性能好的金屬材料作為散熱器，再加裝風扇和回路熱管等強制制冷。同時還可以考慮其他一些有效的新型冷卻方式;

(4) 對于大功率LED器件而言，其總熱阻是PN結到外界環(huán)境熱路上幾個熱沉的熱阻之和，其中包括LED本身的內(nèi)部熱沉熱阻、內(nèi)部熱沉到PCB板之間的導熱膠的熱阻、PCB板與外部熱沉之間的導熱膠的熱阻、外部熱沉的熱阻等，傳熱回路中的每一個熱沉都會對傳熱造成一定的阻礙。因此，減少內(nèi)部熱沉數(shù)量，并采用薄膜工藝將必不可少的接口電極熱沉、絕緣層直接制作在金屬散熱器上，能夠大幅度降低總熱阻。

［1］Joseph Bielecki，et al．Thermal Considerations for LED Components in an Automotive Lamp，23rd IEEE SEM ITHERM Symposium

［2］蘇達，王德苗．大功率LED散熱封裝技術研究．中國照明電器，2007，7

［3］李華平．大功率LED的封裝及其散熱基板的研究．中國科學院西安光學精密機械研究所博士論文，2007

［4］Yan Lai，Nicolás Cordero，Thermal Management of Bright LEDs for Automotive Applications．1-4244-0276-X/06，2006 IEEE

［5］Xiaobing Luo and Sheng Liu．A M icrojet Array Cooling System for Thermal Management of High-Brightness LEDs．Ieee Transactions On Advanced Packaging，Vol．30，No．3，August 2007

［6］Sunho Jang and Moo Whan Shin．Thermal Analysis of LED Arrays for Automotive Head lamp With a Novel Cooling System．Ieee Transactions On Device And Materials Reliability，Vol．8，No．3，September 2008