LED散熱問題分析與應對方法研究

摘 要： 汽車燈具如前照燈功率大，而大功率LED只有約30%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，其余的則變成了熱能，使LED芯片溫度升高，而高溫對芯片的工作性能影響極大，會導致芯片射出的光子減少，從而降低光輸出；嚴重影響熒光粉的特性而引起波長漂移，使色溫質(zhì)量下降導致顏色不純；加快芯片老化，縮短器件壽命。問題制約了發(fā)光二極管在汽車照明中的普及。該文從芯片的封裝材料（基板）及多芯片的排列方式這兩個方面入手，旨在找到最優(yōu)散熱方案，經(jīng)過實驗，最終得出最優(yōu)方案，達到了課題的預期目標。

關鍵詞： 發(fā)光二極管； 高溫影響； 節(jié)能型固體照明； 汽車前照燈

中圖分類號： TN305.94?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0020?04

Abstract： LED as a new generation of green environmental protection， low carbon， energy?saving solid?state lighting light source is more and more widely used in the field of lighting， but high power LED such as automobile headlamp has only about 30% of the input power to be transformed into light and the rest is changed into heat energy， which makes the LED chip temperature increased， influences the chip performance greatly， causes reduction of chip emission photons and light output， seriously affects the fluorescence powder characteristic caused by wavelength shift， results in a reduction of the color purity due to the decrease of color temperature quality， and finally accelerates the aging of the LED chip and shortens the service life of the whole device. This problem has restricted the popularization of LED in the automotive lighting. In this paper， the chip packaging material （substrate） and the arrangement of chips are researched to find out the optimal heat radiation scheme.

Keywords： light emitting diode； high temperature； energy?saving solid?state lighting； automotive headlamp

0 引 言

發(fā)光二極管LED（Light Emitting Diode），因其具有耗電量少、光色純、全固態(tài)、質(zhì)量輕、體積小、環(huán)保、響應速度快、光電轉(zhuǎn)換效率高等一系列的優(yōu)點，已經(jīng)成為新一代綠色環(huán)保型固體照明光源，被稱為21世紀新一代光源，其能耗僅為白熾燈的10%，熒光燈的50%。其能夠顯著降低電力消耗，減少CO2排放。正是LED的這些節(jié)能、長壽命和環(huán)保等優(yōu)勢，使它越來越廣泛地應用到照明領域，更因其具有安全、不吸灰、無頻閃、無不良眩光、啟動無延時、柔性化等特點，受到汽車照明市場的青睞，被用作汽車燈具。一個200 W的LED燈的光效能約等于1 000 W鹵素燈，其響應時間比鎢絲燈快200～300倍，是剎車燈的最佳應用者，其使用壽命是HID（氙氣燈）的10倍等，還具有前照燈防眩目及光色辨別強等特點。然而，LED也存在很多缺陷，這些缺點正制約著LED在汽車照明中的普及。

大功率LED其功率常在1 W，2 W，甚至數(shù)十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等。LED發(fā)光時會有部分能量轉(zhuǎn)化為熱量，而大功率LED只能將約30%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，而將其余的轉(zhuǎn)化為熱能 ，因此會使LED芯片溫度升高，而溫度對LED芯片的工作性能影響極大，高溫會導致芯片出射的光子減少，從而降低光子輸出，還會嚴重影響熒光粉的特性而引起波長漂移，使色溫質(zhì)量下降導致顏色不純，同時，它會加快芯片老化、縮短器件壽命等。因此，為保證LED正常工作，必須將其散發(fā)出來的熱量及時地散發(fā)出去。尤其是大功率多芯片模塊構成的LED，熱流密度可高達到106 W/m2以上，散熱問題更為嚴峻，它已成為阻礙大功率LED光源發(fā)展的關鍵難題，成為大功率LED照明燈具生產(chǎn)廠家的發(fā)展瓶頸；當然，也制約了它作為汽車照明尤其是前照燈光源的普及應用。因此若優(yōu)先掌握了大功率LED的散熱技術，就占有了LED光源市場。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題

以往，日歐美是全球 LED白光技術的領導者，是最先進的照明用 LED制造中心，是首先將LED用作汽車前照燈光源的國家，我國臺灣和韓國緊隨其后，我國相對較落后，即使是LED最發(fā)達的珠江三角地區(qū)，也只是全球最大的 LED 封裝基地，屬于下游。但近10年來，在國家政策的扶持下，研究機構與企業(yè)合作，使LED技術有了突飛猛進的發(fā)展，基本實現(xiàn)了LED的本土化，為車用LED的發(fā)展奠定了基礎。但目前汽車照明還只是用于內(nèi)部照明（包括儀表、內(nèi)部照明燈、電子指示燈等）和外部照明（包括剎車燈、尾燈、霧燈、方向燈、側(cè)燈等），前照燈這種大功率照明因技術局限成本很高，應用很少，自豐田首次將LED應用于一款凌志車前照燈的近光燈照明開始，LED僅在一些高端車中使用，如Lexus，Audi，CadillacEscalade等。因此，要想在汽車大功率照明中普及，需要研制出能解決上述缺陷的低成本的LED。目前，越來越多的公司、技術人員正加大技術研發(fā)力度，以期推動LED在汽車照明市場的普及。如歐司朗、飛利浦等車燈供應商都正在致力于LED用作汽車照明的技術研發(fā)。

因單個LED芯片功率有限（目前單個最大功率為5 W左右），LED照明燈具大都采用多個LED芯片組合形成較大功率的照明結(jié)構，獲得理想的照明強度以及照明范圍，因此需要在同一個基板材料上集成多個LED芯片。為實現(xiàn)光強的均勻分布，需要對各LED芯片的位置進行優(yōu)化設計。目前生產(chǎn)中，主要采用導熱膠粘接的方式實現(xiàn)多個LED芯片與基板的粘連。該方法存在的主要問題是導熱膠的熱阻偏大，不能很好地將LED芯片所產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)出去，從而導致以上所提及的一系列熱問題，長時間的熱積累還會導致導熱膠粘連失效。目前較為先進的工藝方案是采用共晶鍵合的方法來降低LED芯片與基板間的界面熱阻，解決散熱問題。具體方案為采用共晶釬料焊膏將LED芯片進行粘連定位，然后通過回流焊的方法將多個芯片與基板鍵合連接。而該工藝方案的弊端在于，回流焊過程中焊膏溶化，貼裝在焊膏表面的LED芯片因缺少定位支撐，液態(tài)焊膏表面張力與重力的共同作用使得LED芯片發(fā)生不定向偏轉(zhuǎn)或平面移動，導致各芯片之間的相對位置發(fā)生較大的偏差，從而影響整個LED照明結(jié)構的光強分布。目前較先進的是銅?陶瓷復合基板，它可以實現(xiàn)第一級熱沉與陶瓷基板的集成。針對多LED芯片則采用一次鍵合的方法，使多個LED芯片能同時與陶瓷基板實現(xiàn)鍵合，降低芯片與基板的界面熱阻，有利于芯片熱量的散發(fā)，降低芯片工作溫度，提升可靠性，并提高各芯片之間的相對位置精度，解決因芯片位置偏移導致的色顯不均勻的問題。

為提高LED用作大功率照明時的光通量輸出，一般采用將數(shù)十個LED串聯(lián)或串并兼具的方式，這就要求供給40～60 V的電源或200 mA的恒流。而交流發(fā)電機發(fā)出的交流電經(jīng)整流后由電壓調(diào)節(jié)器控制其輸出電壓的上下限，使之維持在9～15 V，而且由于汽車電力系統(tǒng)是由機械式發(fā)電，實際電壓的波動性會更大，如6 V的冷啟動電壓，40 V的瞬間電壓，這會影響LED的正常發(fā)光，增加驅(qū)動電路這一環(huán)節(jié)不可避免。

由于LED發(fā)出的光呈蘭伯特分布，故需要將發(fā)出光經(jīng)過二次光學設計，以避免光的嚴重浪費。目前有一種技術正在成熟，它采用非成像光學理論、照明設計軟件及計算機編程相結(jié)合的方法，即根據(jù)非成像光學中的經(jīng)典的光學擴展度守恒及邊緣成像原理得到透鏡的曲面方程，接著用軟件編程計算出自由曲面透鏡的離散點，找到最佳聚光點，使所傳遞的能量最大化，獲得符合照明要求的光照度分布。

在所提及的所有問題中，散熱是首要問題。由于半導體制造技術的局限，輸入LED的電功率只有30%左右轉(zhuǎn)換成了光能，絕大多數(shù)則轉(zhuǎn)換成了熱能。這些熱量若不及時排出，就會引起LED芯片本身的升溫，從而引起一系列的問題：加速芯片老化、縮短其使用壽命；導致脫焊，造成接觸不良，影響工作的穩(wěn)定性；結(jié)溫升高，出光率降低，光亮度減?。粚τ谌缃癫捎冒坠鈱崿F(xiàn)方案，將導致波長漂移而引起顏色不純等。結(jié)溫與使用壽命的關系如圖1所示

目前主要方法有內(nèi)部散熱法和外部散熱法2種。

內(nèi)部散熱法就是充分利用LED自身結(jié)構特點入手進行散熱，如生產(chǎn)工藝、基板材料、封裝法等，較為先進的工藝方案是采用共晶鍵合的方法來降低LED芯片與基板間的界面熱阻，解決散熱問題；至于LED基板材料，目前大功率LED封裝基板傳統(tǒng)封裝材料及存在的問題如下：

（1） 金屬芯印制板（MCPCB）：將導熱系數(shù)高的金屬（如鋁、銅）裝進PCB（印制電路板）內(nèi)，導熱系數(shù)為1～2.2 W/（m·K）；

（2） 金屬絕緣基板（IMS）：將高分子絕緣層及銅箔電路以環(huán)氧樹脂粘接方式直接與鋁、銅板接合，導熱系數(shù)為1.12 W/（m·K）；

（3） 金屬基板（MB）：采用整塊金屬作基板，但限制使用正裝結(jié)構芯片；

（4） 陶瓷基板（CS）：常用的是氧化鋁基板，導熱系數(shù)可達20 W/（m·K），但陶瓷潤濕性差，實現(xiàn)金屬化困難；

顯然，主流技術面臨著挑戰(zhàn)。目前效果較好的是銅?陶瓷材料。

外散熱法是指從LED芯片的外部入手進行散熱，如水冷、風冷、金屬制冷、半導體制冷等，但大多處于理論探討或試驗階段。

2 研究內(nèi)容

2.1 基板材料及結(jié)構

LED散熱路徑為芯片→粘接材料→基板→導熱硅脂→散熱器，如圖2所示。

由圖2可知，在封裝時芯片是焊接在基板上的。

傳統(tǒng)封裝材料的熱膨脹性能比較，如表1所示。由表1可知，金屬和Si的熱膨脹系數(shù)差別較大，長期工作在溫度較高的環(huán)境下，易出現(xiàn)由熱應力引起的熱裂紋，嚴重影響可靠性。所以，本文考慮選用直接覆銅板（DBC）：即利用銅的含氧共晶將銅敷接到陶瓷上，導熱系數(shù)可達24 W/（m·K）。

表1 傳統(tǒng)封裝材料的熱膨脹性能比較

2.2 芯片間距

考慮到單個LED芯片功率有限（目前單個最大功率為5 W左右），LED汽車照明燈具大都采用多個LED芯片組合形成較大功率的照明結(jié)構，大功率多芯片模塊如圖3所示。為獲得理想的照明強度以及照明范圍，因此需要在同一個基板材料上集成多個LED芯片。但是，需要對各LED芯片的位置進行散熱優(yōu)化設計。

3 最佳方案實驗

3.1 采用直接覆銅板

在此，需要實驗出銅、陶瓷層的厚度各為多少，散熱效果最好。為了解決這個問題，需要從陶瓷（氧化鋁）和金屬（銅）的熱物理性質(zhì)入手研究找答案，氧化鋁與銅的熱物理性能比較如表2所示，不同厚度DBC最高溫度模擬實驗如表3所示。

通過實驗得出銅與陶瓷不同厚度的芯片溫度如圖4所示。

綜上，DBC的銅層厚度適合采用0.3 mm，陶瓷厚度適合采用0.25 mm和0.38 mm，從可靠性角度考慮，由于陶瓷是脆性材料，因此選用0.38 mm的陶瓷厚度最佳。

選用基板形狀：上下各是覆銅板，中間是陶瓷，最后得出LED的基板結(jié)構如圖5所示。

3.2 芯片間距

多芯片固晶、鍵合如圖6所示。涂覆熒光粉膠如圖7所示。多芯片模塊點亮測試如圖8所示。

4 結(jié) 論

本文的初衷是從LED的基板材料與結(jié)構、芯片的陣列以及芯片間距這幾方面入手，解決LED的散熱問題。經(jīng)過多次實驗，最終找到了就目前而已最佳的散熱基板材料與厚度：采用直接覆銅板的方法，即：基板呈銅?陶瓷?銅，厚度分別為0.3 mm?0.38 mm?0.3 mm，基板上的LED芯片呈陣列排列，彼此之間的間距為10 mm，這種內(nèi)部結(jié)構形式能最有效地散去LED結(jié)溫。顯然，實驗達到了本文的預期目的。

注：本文通訊作者為郭獻洲。

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