大功率LED照明系統(tǒng)的熱管理設計

孫 魯，陳凱，楊志豪，李 蘊，黃昊培

（國家半導體光電產品檢測重點實驗室 廣東 江門 529000）

目前隨著能源危機問題的加劇，基于白光LED的照明技術受到越來越多的重視，其應用范圍也越來越廣泛，正在逐步取代傳統(tǒng)光源[1]。LED照明與傳統(tǒng)光源所不同的是，LED芯片不能通過熱輻射的方式把在工作時產生的熱量散發(fā)出去。另一方面，LED芯片的壽命、光通量、色坐標等參數都與其工作溫度息息相關，因此熱管理是LED照明技術中一個十分重要的議題。本文將介紹LED熱管理技術的主要內容，并對熱管理技術的優(yōu)化改進提出建議。

LED照明技術作為一種半導體固態(tài)照明技術，其核心是基于GaN材料的藍光LED芯片，LED芯片在工作時，由于芯片中存在大量的非輻射復合中心等原因，導致了輸入LED的能量中相當大一部分轉化為熱能，一般認為，LED芯片所輸入的能量中大約70%左右在工作是轉化為熱能[2]。如此大量的熱能如果不能順利傳導出來，將導致LED芯片的結溫迅速升高，大大降低LED芯片的使用壽命、光通量等性能指標，嚴重時會燒毀LED芯片。

目前在LED照明應用中，從節(jié)約LED芯片成本方面來考慮，人們往往會通過加大LED的驅動電流的方式來提高光源的總光通量，而在大電流下工作的大功率LED芯片，發(fā)熱量也會大大增加。在這種情況下，LED芯片的熱管理就顯得尤為重要。

1 LED照明系統(tǒng)中的熱傳遞

熱阻R是評價材料導熱性能的物理量，a、b兩點之間的熱阻Ra-b的定義為[3]：

其中Ta為a點的溫度，單位為℃，Tb為b點的溫度，單位為℃，Pt為耗散的熱功率，單位為W。從公式（1）可以看出來，在相同的熱耗散功率下，如果兩點之間的熱阻越小，溫差就越小。

眾所周知，熱傳遞的方式有3種：傳導、對流、輻射。LED照明系統(tǒng)熱管理所需要解決的問題主要包括了如何通過傳導方式將芯片產生的熱傳遞到周圍的散熱結構，再通過對流方式和輻射方式將熱傳遞到周圍的空氣中，最終完成整個散熱過程。在這個過程中，如何將整個熱傳遞通道中的熱阻降到最低，是提高整個系統(tǒng)的熱性能的核心問題。

2 熱管理優(yōu)化

2.1 熱傳導及其優(yōu)化

熱傳導是在兩個直接接觸的固體直接發(fā)生的熱傳遞過程。LED芯片產生的大量熱量首先要通過熱傳導方式帶到芯片周圍的散熱結構，因此要使用熱的良導體來制作散熱結

其中k為材料的導熱系數，單位是W/mK，A為熱傳導材料的截面積，單位為m2，ΔT為材料兩端的溫差，單位為K，Δx為熱傳導的距離，單位為m。從公式（2）可以看出來，要想改善熱傳導的效果，可以通過加大導熱材料的截面積，縮短熱傳導的距離，并使用導熱系數高的材料。另一方面，由于在熱傳導中的熱通路中存在許多界面，如何利用良好的熱界面材料來改善界面的導熱情況也非常重要。

在實際應用中，大功率LED芯片所產生的熱首先要通過LED芯片封裝結構傳遞出來，如何在LED芯片與外界之間建立一條良好的導熱通道是十分關鍵的。傳統(tǒng)的LED芯片封裝為正裝方式，該方式是通過藍寶石襯底將LED結處的熱量傳遞出來，而藍寶石襯底的導熱系數僅為42 W/mK，不利于芯片的散熱。最近人們發(fā)展了倒裝結構和垂直結構的LED封裝方式來改進熱傳導。倒裝結構LED是通過共晶焊技術將LED芯片倒裝到具有更高導熱系數的硅襯底上（導熱系數約120 W/mK）[5]，從而保證LED產生的熱量能夠迅速地傳遞出來。垂直結構LED通過激光剝離等工藝將GaN外延層轉移至硅、銅等高導熱系數的襯底上[6]，從而大大改善散熱效果，以銅基板為例，銅的導熱系數在400 W/mK左右。

在上面提到的正裝、垂直結構和倒裝結構等封裝方式中，都會涉及到如何利用熱界面材料將芯片固定的問題。另外，在印刷電路板和散熱片之間也需要熱界面材料來填充微小的空氣間隙。常用的熱界面材料有導熱膠、相變材料、導熱彈性體和低熔點合金等，例如導電銀漿、導熱錫膏、共晶焊合金等。碳納米管具有非常優(yōu)良的導熱性能，其導熱系數高達6 600 W/mK[7]，可以作為未來LED應用中的熱界面材料，但是存在工藝復雜、成本高等缺點。

2.2 熱對流及其優(yōu)化

熱對流是指通過液體或氣體的流動將熱量帶走的熱傳遞方式。對于LED照明系統(tǒng)來說，通常利用熱對流方式將散熱片的熱量散發(fā)到周圍的空氣中。對流有自然對流和強制對流兩種方式，下式中給出了在對流方式中所散發(fā)的熱量Qconv（W）[8]：

其中h為熱傳遞系數，單位為W/m2K，A為散熱片的表面積，單位為m2，ΔT為散熱片與周圍介質之間的溫差，單位為K。對于不同的對流散熱技術，熱傳遞系數的差距很大，強制水冷對流的熱傳遞系數可以高達10 000 W/m2K，而空氣自然對流的熱傳遞系數一般認為大約為10 W/m2K。散熱片的使用中，散熱片的熱對流能力和具體擺放方式有密切的關系。

除了自然對流和強制對流外，還可以采用熱管技術來改善系統(tǒng)的散熱能力[9]。在某些特殊的應用場合，甚至可以使用水冷方式來達到良好的散熱效果。具體散熱方式的選擇，不構。人們使用導熱系數k來衡量材料的導熱能力。通過熱傳導傳遞的熱量 Qcond（W）由下式給出[4]：僅僅與散熱效果有關，更多得是決定于成本、可靠性、噪音等因素的考慮。

2.3 熱輻射及其優(yōu)化

熱輻射是熱量傳遞的第3種方式，一切溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。通過熱輻射傳遞的熱量Qrad（W）由下式來確定[10]：

其中ε為物體表面的發(fā)射率，無量綱，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，數值為5.67×10-8W/m2K4，A為散熱表面的面積，單位為m2，Ts為散熱材料表面的溫度，單位為K，Tf為周圍介質的流體溫度，通常是指周圍空氣的溫度，單位為K。在其他條件都確定的情況，可以通過提高散熱片表面的發(fā)射率來改善散熱效果。以鋁散熱片為例，使用陽極氧化工藝來進行表面處理后可以增強其表面發(fā)射率，從而改善散熱效果[11]。對于散熱片的設計，可以使用計算流體動力學來進行仿真[12]，以得到更精確的設計結果，加快設計進度。

3 熱管理設計實例

假設LED燈具的發(fā)熱量為100 W，LED散熱底座的溫度為55℃，周圍的環(huán)境溫度最高為35℃，根據公式（2）可知，如果取空氣自然對流的熱傳遞系數為10 W/m2K，在不考慮熱輻射的情況下，所用散熱底座的面積應該為：

為了保證照明燈具所使用的1W LED芯片達到50 000小時的壽命，希望將LED芯片的結溫控制在90℃，因此由LED芯片到LED散熱底座的熱阻不能超過（90-55）/1=35（℃/W）。熱阻的分配如下：由LED芯片到焊點的熱阻為8℃/W，焊點到散熱底座的熱阻必須控制在27℃/W，下一步根據所選擇的PCB板和熱界面材料的導熱系數k、厚度和面積等參數，利用下面的公式：

來評估熱傳遞通路上的熱阻是否可以達到設計要求。

4 結 論

在熱管理設計中，首先要了解整個熱通路中每個環(huán)節(jié)的熱阻情況，繪出系統(tǒng)的熱阻示意圖，找出熱傳遞的瓶頸，然后進行重點改進。例如在熱界面材料的選擇上要多加注意，選用導熱性能不好的熱界面材料會使得整個設計前功盡棄。

在選擇好LED芯片的前提下，熱管理設計以預期芯片結溫和工作環(huán)境溫度作為設計的兩個節(jié)點，在兩個節(jié)點之間的熱通路上分配溫度梯度預算，并估算相應的熱阻值，設計應具有足夠的余量，可以在嚴酷的使用環(huán)境中保證結溫在預期范圍內，從而保證LED芯片長期工作的可靠性。在具體每個部分的設計中，要綜合利用3種熱傳遞方式。以散熱片的設計為例，首先要使用熱的良導體，充分利用熱傳導方式，另外要根據使用環(huán)境來精心設計散熱片的外形結構，以最大限度地利用熱對流方式，最后還要盡可能提高散熱片表面的發(fā)射率，充分利用熱輻射方式來進行散熱。

從以上的分析可以看出，大功率LED照明系統(tǒng)的熱管理設計是一個需要綜合考慮的工程問題，必須要在系統(tǒng)級層次上進行總體優(yōu)化，才能達到良好的散熱效果。

[1]Pimputkar S，Speck J S，DenBaars S P，et al.Prospects for LED lighting[J].Nature Photonics，2009（3）:180-182.

[2]Treurniet T，Lammens V.Thermal management in color variable multi-chip led modules[C]//Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium，IEEE Twenty-Second Annual，14-16 March 2006:173-177.

[3]Kim L，Shin M W.Thermal resistance measurement of LED package with multichips[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2007，30（4）:632-636.

[4]Klemens P.Theory of thermal conductivity in solids，in:ThermalConductivity[M].London：AcademicPress，1969：1-68.

[5]Shen C F，Chang S J，Chen W S，et al.Nitride-Based High-Power Flip-Chip LED With Double-Side Patterned Sapphire Substrate[J].IEEE Photonics Technology Letters，2007，19（10）:780-782.

[6]Chen S L，Wang S J，Uang K M，et al.Fabrication of dicing-Free Vertical-Structured High-Power GaN-Based Light-Emitting Diodes With Selective Nickel Electroplating and Patterned Laser Liftoff Techniques [J].IEEE Photonics Technology Leters，2007，19（6）:351-353.

[7]Berber S，Kwon Y K，Tomanek D.Unusually high thermal conductivity of carbon nanotubes[J].Physical Review Letters，2000（84）:4613-4616.

[8]Schenck H N.Heat transfer engineering[M].Prentice-Hall，1959.

[9]Eastman G.The heat pipe[M].Scientific American，1968.

[10]Siegel， Robert， Howell， John R.Thermal radiation heat transfer （3rd revised and enlarged edition）[M].Hemisphere Publishing Corp.，1992.

[11]Wade P，Preedy C.Fujihokka:A high-emissivity approach to aluminum anodizing[J].Metal Finishing，2003，101（12）:8-13.

[12]Wendt J F.Computational Fluid Dynamics （Third Edition）[M].Springer，2009.