基于銅鋁基板和熱沉組合的LED散熱性能的研究

陳 良 夏冠群 劉廷章 楊潔翔 莊美琳

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072;2.上海半導(dǎo)體照明工程技術(shù)研究中心，上海 201203)

1 引言

近年來，大功率LED發(fā)展較快，在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大的改進(jìn)，發(fā)光效能上也有長足的進(jìn)步［1］。目前，大功率白光 LED發(fā)光效能已經(jīng)超過100lm/W，大大領(lǐng)先于傳統(tǒng)照明光源［2］。而且與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源相比，大功率白光LED固體光源具有節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［3］。

眾所周知，LED是個(gè)光電器件，其工作過程中只有少部分的電能轉(zhuǎn)換成光能，而剩余的能量幾乎都轉(zhuǎn)換成了熱能。對(duì)于LED來說，熱量是它的天敵，溫度的增高會(huì)大大降低LED的使用壽命和發(fā)光效能，如圖1所示［4］。因此，要充分發(fā)揮大功率LED的優(yōu)勢，必須解決散熱這一關(guān)鍵技術(shù)問題。

圖1 LED結(jié)溫對(duì)光通量的影響

目前業(yè)內(nèi)已經(jīng)對(duì)大功率LED的散熱問題作出了很多的努力。包括提高芯片內(nèi)外量子效率、減少散熱組件負(fù)荷、加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)、依靠強(qiáng)對(duì)流散熱等方法促進(jìn)大功率LED散熱。盡管如此，單個(gè)LED產(chǎn)品目前也僅處于1～10W級(jí)的水平，散熱能力仍亟待提高［5］。

另外，有相當(dāng)多的研究將精力集中于尋找高熱導(dǎo)率熱沉與封裝材料。本文即主要針對(duì)同一個(gè)LED芯片——Cree XLamp XM-L LEDs 6w大功率LED芯片，測試其基于不同材料 (黃銅、鋁)基板與熱沉組合的散熱性能、光電性能及熱分布，從而對(duì)所涉及的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行反饋改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED芯片散熱基板及熱沉的最優(yōu)選擇。實(shí)驗(yàn)采用的基板與熱沉材料導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

80例(108個(gè)甲狀腺結(jié)節(jié))中手術(shù)病理診斷為良性57例(結(jié)節(jié)中結(jié)節(jié)性甲狀腺腫51例77個(gè)；甲狀腺腺瘤3個(gè)；甲狀腺乳頭狀瘤1個(gè)；腺瘤型結(jié)甲3個(gè))；手術(shù)病理診斷惡性22例(甲狀腺乳頭狀癌20個(gè)，甲狀腺髓樣癌1個(gè)；甲狀腺濾泡癌1個(gè))；還有1例合并有結(jié)節(jié)性甲狀腺腫及甲狀腺乳頭狀癌各1個(gè)。根據(jù)甲狀腺結(jié)節(jié)實(shí)時(shí)彈性成像分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，80例共108個(gè)結(jié)節(jié)中，0級(jí)14個(gè)，Ⅰ級(jí)25個(gè)，Ⅱ級(jí)42個(gè)，Ⅲ級(jí)8個(gè)，Ⅳ級(jí)19個(gè)，彈性分級(jí)及病理結(jié)果見表1～2。

急性腦血栓患者的早期康復(fù)受到很多因素的影響,而在治療中實(shí)施針對(duì)性護(hù)理干預(yù)對(duì)患者的生存質(zhì)量和預(yù)后有很好的改善作用,從而降低患者的傷殘率。本研究對(duì)一段時(shí)間內(nèi)在我院接受治療的急性腦血栓患者進(jìn)行護(hù)理干預(yù)對(duì)其早期康復(fù)效果的綜合評(píng)估分析,取得了顯著效果,現(xiàn)做相關(guān)報(bào)道。

表1 實(shí)驗(yàn)熱沉和基板的金屬導(dǎo)熱系數(shù)(單位:千卡/米·小時(shí)·度)

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 熱阻測試

針對(duì)目前大功率LED器件散熱與光效的矛盾，通過Analysis Tech熱分析儀，通過正向電壓法較精確地測量器件實(shí)際使用過程中的結(jié)溫和熱阻，作為衡量大功率LED散熱狀況的主要參數(shù)，并為器件的熱可靠性分析提供科學(xué)依據(jù)。

研究方法采用計(jì)量學(xué)方法、數(shù)據(jù)挖掘方法；研究工具采用Python、Excel等數(shù)據(jù)處理分析工具對(duì)專利申請(qǐng)公開時(shí)間、公開國家、公開機(jī)構(gòu)、技術(shù)分類號(hào)等字段進(jìn)行提取和統(tǒng)計(jì)；研究角度從專利時(shí)間分布、專利空間分布、專利內(nèi)容分布這三大方面全面揭示了全球自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展趨勢、技術(shù)公開國家、技術(shù)來源國家、技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)、技術(shù)研究方向、研究熱點(diǎn)等情況，期望為自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持和決策參考。

即芯片PN結(jié)的溫度與周圍空氣溫度之差和輸入功率的比值。

大功率LED所產(chǎn)生的熱量主要通過基板和熱沉傳導(dǎo)到外殼而散發(fā)出去，不同的基板與熱沉的材料，以及不同材料基板與熱沉的組合，其導(dǎo)熱性能各異，高導(dǎo)熱的材料可以滿足自然冷卻的要求，但是成本偏高，低成本的材料往往由于導(dǎo)熱性不夠，不能很好的滿足大功率LED的散熱需求。據(jù)計(jì)算，在基準(zhǔn)溫度 (100℃)以上，工作溫度每升高25℃，電路的失效率就會(huì)增加5～6倍［9］，因此如何提高基板和熱沉的散熱性能已成為一個(gè)亟待解決的問題。

圖2 單顆LED燈結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 單顆LED燈實(shí)物圖

由此我們可以將整個(gè)傳熱的過程分為向上傳熱和向下兩部分，建立傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示。

圖4 傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)圖

上層的熱阻可以寫為:

(3)將熱沉固定并置于便于測試測量的位置，連接電源，輸入功率2W，點(diǎn)亮燈具，進(jìn)行熱阻測試。

地勘單位可以從建立健全審計(jì)信息系統(tǒng)的角度出發(fā)落實(shí)單位的信息化水平，例如單位根據(jù)自身的規(guī)模特點(diǎn)選擇NC系統(tǒng)和審計(jì)軟件，積極投入資金引進(jìn)部分平臺(tái)。確保單位內(nèi)部人力、物力與財(cái)力的相對(duì)一致性。不僅如此，地勘單位應(yīng)當(dāng)定時(shí)給工作人員安排培訓(xùn)工作，教導(dǎo)他們軟件與平臺(tái)的使用方式，確保內(nèi)部人員能夠熟練運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件，積極發(fā)揮信息化的優(yōu)勢性，借助信息平臺(tái)及時(shí)獲取國內(nèi)外價(jià)值性的信息并分析出當(dāng)前市場的變動(dòng)模式，發(fā)揮審計(jì)工作的效益。信息化建設(shè)能夠促進(jìn)動(dòng)態(tài)性的監(jiān)測工作，審計(jì)人員可以借助平臺(tái)及時(shí)了解領(lǐng)導(dǎo)干部和單位法人的離任審計(jì)工作，最終避免重復(fù)勞動(dòng)，提高工作效益與市場競爭力。

其中:Rjc為內(nèi)部熱沉熱阻，Rcm為MCPCB熱阻，Rmg為導(dǎo)熱脂熱阻，Rgb為散熱器熱阻，Rba為散熱器與環(huán)境間熱阻。

則總熱阻為:

學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理是根本性管理。對(duì)是否能夠真正實(shí)現(xiàn)、實(shí)踐實(shí)戰(zhàn)能力強(qiáng)的應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，具有根本性、決定性作用。

一般情況下，Ruja的熱阻較大，所以在總熱阻中，主要是由Rdja起作用。因此熱阻的測試結(jié)果體現(xiàn)的是向下傳熱的熱阻，即熱沉與基板組合的熱阻，滿足整個(gè)實(shí)驗(yàn)的測試目標(biāo)。

通過對(duì)語言政策與社會(huì)發(fā)展互動(dòng)關(guān)系的研究，可以提取制約語言文字政策定位的因素，為國家語言政策和規(guī)劃的制定提供理論支撐。

2.2 紅外熱分布測試

對(duì)于單顆的LED燈單元，如圖2、圖3所示［7］。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，熱量主要由兩個(gè)方面進(jìn)行傳導(dǎo):一是通過芯片上面覆蓋的環(huán)氧樹脂與環(huán)境傳熱;另一方面是將芯片產(chǎn)生的熱量通過鍵合金線進(jìn)一步傳到金屬基板后散走;最后最主要的方面是通過內(nèi)部熱沉傳導(dǎo)到金屬基板后通過散熱器 (熱沉)散熱［8］。

通過紅外熱分布測試能夠從宏觀上整體地把握LED基板與熱沉的散熱效果，發(fā)現(xiàn)不同材料在散熱效果上的差異，從而選擇最合適的散熱材料。由于LED燈具在開啟后逐漸升溫，最后達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)基板和熱沉也逐漸升溫并最后穩(wěn)定。所以本文在進(jìn)行紅外熱分布測試時(shí)考慮穩(wěn)態(tài)時(shí)的情況。

2.3 LED光電性能測試

LED的發(fā)光效能是LED主要的指標(biāo)之一，發(fā)光效能的大小反映發(fā)光體內(nèi)部能量激發(fā)、能量傳遞、復(fù)合發(fā)光以及無輻射復(fù)合過程的總效果，它與發(fā)光體的成分、發(fā)光中心的種類及濃度、共激活劑的選擇、有害雜質(zhì)的控制以及發(fā)光晶體的完整性，甚至與具體的工藝過程有關(guān)。

具體分析 LED的電光轉(zhuǎn)換［10］，如圖5所示，可以看出大部分的輸入電力都最后轉(zhuǎn)化為熱損失而輸出，那么熱沉與基板本身散熱性能的好壞就關(guān)系到熱損失的大小。所以通過測試LED的性能，也能夠反映出整體散熱情況的好壞。

圖5 光電轉(zhuǎn)換示意圖

2.4 測試設(shè)備及方法

2.4.1 主要測試設(shè)備 (圖6)

由于上述的測試沒有考慮到底部通風(fēng)的情況，熱沉直接放在臺(tái)面上，為了更好地測試通風(fēng)環(huán)境對(duì)熱沉和整體散熱的影響，利用訂書針作為熱沉底部支架，交叉相疊三層，再次進(jìn)行熱成像的測試。利用訂書針既能起到支撐作用，又能夠保證和底部的接觸面積盡可能的小，基本不影響測試結(jié)果，如圖9所示。

圖6 部分主要測試設(shè)備

ITECH IT6122高精度直流電源

第Ⅱ含礦帶賦存于太白向斜南翼即石閆背斜北翼，分布于第Ⅰ含礦帶以南150～280m。上桃園以西出露長度約14km，向東被沉積蓋層覆蓋。小閆莊鐵礦以西尚無工程控制，其沿傾向控制延深規(guī)模，與第Ⅰ含礦帶基本一致。礦帶在東石門斷層以東核部被剝蝕，僅發(fā)育翼部礦體，上桃園斷層以西傾向S，SW，以東傾向N，NE，傾角一般為50°～70°。該含礦帶中礦層一般為2層，礦層總厚度在東石門斷層以西較厚為23.50m，東石門斷層以東，總厚度多在5.77～12.02m之間。

Analysis Tech Phase半導(dǎo)體熱分析儀NEC H2640紅外熱成像儀

浙大三色SL-300快速光譜輻射分析儀

2.4.2 主要實(shí)驗(yàn)方法

(1)用酒精清洗熱沉，吹干。

(2)在基板上均勻地涂上導(dǎo)熱脂，將基板固定于熱沉上。

雨量傳感器主要的工作對(duì)象就是降水的數(shù)值收集與傳遞，然而在發(fā)生降水時(shí)雨量傳感器如果沒有顯示出數(shù)值，并且并無降水記錄，就證明雨量傳感器出現(xiàn)了故障。在降水量較小時(shí)，如果雨量傳感器沒有降水記錄，可能還猶豫雨量傳感器的精度不足以計(jì)量降水，或者是集水裝置在安裝和使用的過當(dāng)中，翻斗的靈活性不足。如果在降水量較大時(shí)，雨量傳感器仍舊沒有降水記錄，那么就是由于傳感器的內(nèi)部產(chǎn)生堵塞或者是信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)了問題。針對(duì)這一現(xiàn)象，雨量傳感器需要及時(shí)進(jìn)行排查，在堵塞的位置進(jìn)行疏通。如果問題出在線路上，則需要檢查各個(gè)線路是否正常，如果存在有問題需要及時(shí)維修或者更換。

其中:Rea為環(huán)氧樹脂熱阻。

(4)逐步提高輸入功率至額定，并更換基板與熱沉的組合，重復(fù)3中的測試。

(5)將燈具取下，放入積分球中，進(jìn)行電學(xué)性能和光學(xué)性能的測試。

本實(shí)驗(yàn)測試大功率LED的基板熱沉組合的熱阻，若結(jié)溫為 Tj，環(huán)境溫度為Ta，LED的功率為P，則熱阻 Rja的定義為［6］:

(6)將熱成像儀固定好，采用自動(dòng)對(duì)焦。待燈具點(diǎn)亮一段時(shí)間，熱分布達(dá)到平衡后，進(jìn)行熱分布測試。

下層的熱阻可以寫為:

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 熱阻測試

熱阻測試的結(jié)果如表2所示。

?

根據(jù)表2的熱阻測試結(jié)果，在小功率范圍 (2W～4W)，鋁熱沉配合基板其熱阻較銅熱沉配合基板小;而在額定功率范圍 (6W)，銅熱沉+鋁基板組合的熱阻最小。

而從另一方面來看，銅熱沉的組合表現(xiàn)出較好的熱阻一致性，熱阻隨著功率溫度的變化基本保持恒定;而鋁熱沉的組合隨著功率和溫度的上升，熱阻系數(shù)逐漸加大。

對(duì)于一般的物質(zhì)，熱阻大的受到外界的溫度變化的影響小，但自身的熱量也散發(fā)不出來;而熱阻小的如果內(nèi)部溫度比較高的比較利于散熱。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合來看，鋁熱沉組合的熱阻值比黃銅熱沉組合的要小一些。而黃銅熱沉組合的熱阻一致性較鋁熱沉組合要好，這同金屬的導(dǎo)熱系數(shù)表的數(shù)值表現(xiàn)是一致的。混合組合效果要好于同一組合的效果。原因是混合組合在散熱時(shí)可以發(fā)揮各自金屬本身的屬性優(yōu)勢 (鋁的快速導(dǎo)熱、黃銅的一致性好)，使得熱阻更小，散熱效果更好。

3.2 紅外熱輻射測試

圖7、圖8為LED芯片在額定功率6W時(shí)的紅外熱輻射成像。

圖7 6W時(shí)的紅外熱分布成像

圖8 6W時(shí)的紅外熱分布成像

從紅外熱輻射測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，在芯片處以及熱沉和臺(tái)面的接觸處，顏色呈現(xiàn)紅色，溫度較高，芯片處平均超過100℃。在采用自動(dòng)對(duì)焦的情況下，鋁熱沉的上表面普遍呈現(xiàn)綠色，側(cè)面表現(xiàn)出藍(lán)綠相間。銅熱沉上表面普遍呈現(xiàn)藍(lán)色，而側(cè)面基本為綠色，略帶黃色和橙色。

（12）Awaking the Sleeping Dragon:The Evolving Chinese Patent Law and Its Implications for Pharmaceutical Patents.

圖9 帶支撐底座時(shí)的紅外熱分布成像

分析紅外熱輻射測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熱源主要分布在芯片處和熱沉和臺(tái)面的接觸處，這是由于大功率LED芯片自身發(fā)熱的緣故;并且由于熱沉直接放在木制臺(tái)面上，底部通風(fēng)不佳，導(dǎo)致熱量在臺(tái)面的聚積。在增加了支架底座后，熱沉底部不再有熱量的聚積，說明周圍通風(fēng)的環(huán)境對(duì)于熱沉的散熱效果很明顯也很重要。

從熱沉的選擇來看，鋁熱沉整體的熱分布比較均勻，導(dǎo)熱情況較好;而黃銅熱沉整體導(dǎo)熱效果不是非常理想，溫度分布不如鋁熱沉均勻。這和本次實(shí)驗(yàn)采用的為黃銅有關(guān)，在下一階段最好開展純鋁熱沉和純銅熱沉的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如此可以更加好的進(jìn)行比較。

由圖5表明，隨著溶液礦漿濃度升高，溶液中金的浸出率逐漸升高。當(dāng)?shù)V漿濃度為25%時(shí)，浸出曲線趨向于平緩，綜合考慮金的浸出率和試驗(yàn)效率，選擇最佳礦漿濃度為25%，此時(shí)金的浸出率為98.23%。

3.3 光電性能測試

光電性能部分我們主要關(guān)注LED的發(fā)光效率，測試結(jié)果如表3所示。

糖尿病對(duì)患者的身體以及心理的影響是十分巨大的[1]。本次研究為了分析研究在老年糖尿病患者中，實(shí)施心理護(hù)理干預(yù)對(duì)患者的焦慮抑郁情緒的影響，特選取我院80例患者進(jìn)行研究，報(bào)道如下。

?

隨著功率的增大，各組合的發(fā)光效能都呈現(xiàn)下降的趨勢。從不同組合的對(duì)比來看，光電性能的測試結(jié)果同熱沉熱阻的測試結(jié)果一樣，銅鋁混合搭配 (銅熱沉+鋁基板、鋁熱沉+銅基板)其發(fā)光效能要明顯好于同一搭配 (銅熱沉+銅基板、鋁熱沉+鋁基板)。

測試的結(jié)果是混合搭配其發(fā)光效能要明顯好于同一搭配。究其原因并不完全取決于熱阻，因?yàn)闊岢翢嶙铚y試中，在小功率范圍內(nèi)，鋁熱沉+鋁基板的熱阻值也是小于黃銅熱沉+鋁基板的，但是在發(fā)光效能部分依然是黃銅熱沉+鋁基板高于鋁熱沉+黃銅基板。從上文分析的LED電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可以看出，熱沉基板的組合影響的是半導(dǎo)體內(nèi)部阻抗與接觸阻抗的部分，熱損失的大小關(guān)系到發(fā)光效能的高低，而熱沉基板接觸阻抗的高低就關(guān)系到熱損失的大小。由此可以得出黃銅和鋁的接觸阻抗要小于黃銅和黃銅以及鋁和鋁的接觸阻抗，由此也不難理解為何混合搭配其發(fā)光效能要高于同一搭配的發(fā)光效能了。

4 結(jié)論

本文針對(duì)LED不同材料的熱沉與基板組合的散熱性能，進(jìn)行了熱沉熱阻測試、紅外熱輻射測試和光電性能測試。雖然整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程還不是非常嚴(yán)謹(jǐn)，也會(huì)有各種因素造成的誤差，但是對(duì)于實(shí)驗(yàn)整體的對(duì)比性質(zhì)來說可以忽略這些影響，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有一定的可信度及參考價(jià)值。如果能夠開展純鋁熱沉和純銅熱沉的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，則可以更加好的進(jìn)行對(duì)比。

石橋頭有兩棵古香楓樹，樹干筆直，華蓋參天。眼下正值楓葉紅了的中秋時(shí)節(jié)，五角楓葉在朝陽夕暉籠罩下，如一樹閃爍的星辰。

綜合實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，黃銅和鋁的混合組合其散熱效果和性能表現(xiàn)要好于同種組合，但總體差距都不大。黃銅的散熱性能也不如想象中的差，如果材料配合得當(dāng)仍能獲得不錯(cuò)的散熱效果，在某些特殊場合使用黃銅作為散熱器也是可行的。

如果希望LED散熱盡可能好，則應(yīng)考慮較簡單的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱系數(shù)高的材料，以減小熱阻;反之，則需要加大熱阻來保持恒溫。如果對(duì)于LED的光效要求較高，則更需要考慮材料之間阻抗的大小和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來減少熱損失，提高光效。

通過以上分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們能夠看出對(duì)于LED散熱的設(shè)計(jì)，不同材料的選擇和組合對(duì)于提高LED的散熱能力只有少許的幫助，解決LED散熱問題的關(guān)鍵不在尋找高熱導(dǎo)率的材料，還是在于增加散熱面積與改變散熱方式和結(jié)構(gòu)，如此才能大幅度地提高LED的散熱能力，達(dá)到更好的散熱效果。

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