如何改善LED散热性能

发布时间：2011-02-14 阅读量：1656 来源: 发布人:

相关LED的运用生存的年限，例如改用硅质封装材料与瓷陶封装材料，能使LED的运用生存的年限增长一位数，特别是白光LED的闪光频谱包括波长低于450nm短波长光线，传统环氧气天然树脂封装材料极易被短波长光线毁伤，高功率白光LED的大光量更加速封装材料的劣化，依据业者测试最后结果显露蝉联点灯不到10,000小时，高功率白光LED的亮度已经减低二分之一以上，根本没有办法满意照明光源长生存的年限的基本要求。到现在为止有两种延长组件运用生存的年限的对策，作别是，制约白光LED群体的温升，和休止运用天然树脂封装形式。

不过，其实大功率LED 的发卡路里比小功率LED高数十倍以上，并且温升还会使闪光速率大幅下跌。具体内部实质意义作别是：减低芯片到封装的热阻抗、制约封装至印刷电路基板的热阻抗、增长芯片的散热顺利通畅性。

想办法减损热阻抗、改善散热问题
相关LED的闪光速率，改善芯片结构与封装结构，都可以达到与低功率白光LED相同水准。有鉴于此美国Lumileds与东洋CITIZEN等照明设施、LED封装厂商，一个跟着一个研发高功率LED用简易散热技术，CITIZEN在2004年着手着手制作白光LED样品封装，不必特别结合技术也能够将厚约2~3mm散热装置的卡路里直接排放到外部，依据该CITIZEN报导固然LED芯片的结合点到散热装置的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大，并且在普通背景下室温会使热阻抗增加1W左右，纵然是传统印刷电路板无冷却风扇强迫空冷状况下，该白光LED板块也可以蝉联点灯运用。

相关闪光特别的性质平均性，普通觉得只要改善白光LED的荧光体材料液体浓度平均性与荧光体的制造技术，应当可以克服上面所说的围困并搅扰。

因为增加电力反倒会导致封装的热阻抗急速降至10K/W以下，因为这个海外业者以前研发耐高温白光LED，打算借此改善上面所说的问题。

固然硅质封装材料可以保证LED的40,000小时的运用生存的年限，不过照明设施业者却显露出来不一样的看法，主要争辩是传统电灯泡与日光灯的运用生存的年限，被定义成“亮度降至30百分之百以下”。亮度减半时间为四万钟头的LED，若换算成亮度降至30百分之百以下的话，大约只剩二万钟头左右。

普通觉得假如彻底执行以上两项延寿对策，可以达到亮度30百分之百时四万钟头的要求。因为这个，松下电工研发印刷电路板与封装一体化技术，该企业将1mm正方形的蓝光LED以flip chip形式封装在瓷陶基板上，继续再将瓷陶基板粘附在铜质印刷电路板外表，依据松下报道里面含有印刷电路板顺德led显示屏在内板块群体的热阻抗约是15K/W左右。所以Lumileds与CITIZEN是采取增长结合点容许温度，德国OSRAM企业则是将LED芯片设置在散热装置外表，达到9K/W超低热阻抗记录，该记录比OSRAM以往研发同级产品的热阻抗减损40百分之百。值当一提的是该LED板块封装时，认为合适而使用与传统办法相同的flip chip形式，然而LED板块与散热装置结合乎时常，则挑选最靠近LED芯片闪光层作为结合面，借此使闪光层的卡路里能够以最短距离传导排放。

以往LED 业者为了取得充分的白光LED 光柱，以前研发大尺寸LED芯片打算藉此形式达到预先期待目的。如上增长给予电力的同时，不可少想办法减损热阻抗、改善散热问题。然而，其实白光LED的给予电努力坚持续超过1W以上时光柱反倒会减退，闪光速率相对减低20~30百分之百。换言之，白光LED的亮度假如要比传统LED大数倍，耗费电力特别的性质逾越日光灯的话，就不可少克服下面所开列四大课题：制约温升、保证运用生存的年限、改善闪光速率，以及闪光特别的性质平均化。反过来说纵然白光LED具有制约热阻抗的结构，假如卡路里没有办法从封装传导到印刷电路板的话，LED温度升涨的最后结果毅然会使闪光速率急速下跌。

解决封装的散热问题才是根本办法
温升问题的解决办法是减低封装的热阻抗；保持LED的运用生存的年限的办法是改善芯片外形、认为合适而使用小规模芯片；改善LED的闪光速率的办法是改善芯片结构、认为合适而使用小规模芯片；至于闪光特别的性质平均化的办法是改善LED的封装办法，这些个办法已经陆续被研发中。因为环氧气天然树脂借鉴波长为400~450nm的光线的百分率高达45%，硅质封装材料则低于1百分之百，辉度减半的时间环氧气天然树脂不到一万钟头，硅质封装材料可以延长到四万钟头左右，几乎与照明设施的预设生存的年限相同，这意味着照明设施运用时期不需改易白光LED。然而硅质天然树脂归属高弹性软和材料，加工时不可少运用不会刮伤硅质天然树脂外表的制造技术，这个之外加工时硅质天然树脂极易依附粉屑，因为这个未来不可少研发可以改善外表特别的性质的技术。

相关LED的长命化，到现在为止LED厂商采取的对策是改变封装材料，同时将荧光材料散布在封装材料内，特别是硅质封装材料比传统蓝光、近紫外线LED芯片上方环氧气天然树脂封装材料，可以更管用制约材质劣化与光线洞穿率减低的速度。

改变封装材料制约材质劣化与光线洞穿率减低的速度
2003年东芝Lighting以前在400mm正方形的铝合金外表，铺修闪光速率为60lm/W低热阻抗白光LED，无冷却风扇等特别散热组件前提下，试着制做光柱为300lm的LED板块。主要端由是电流疏密程度增长2倍以上时，不惟不由得易从大型芯片抽取光线，最后结果反倒会导致闪光速率还不如低功率白光 LED的窘境。依据德国OSRAM Opto Semi conductors Gmb实验最后结果证明，上面所说的结构的LED芯片到烧焊点的热阻抗可以减低9K/W，约是传统LED的1/6左右，封装后的LED给予2W的电力时，LED芯片的结合温度比烧焊点高18K，纵然印刷电路板温度升涨到50℃，结合温度顶多只有70℃左右；相形之下过去热阻抗一朝减低的话，LED芯片的结合温度便会遭受印刷电路板温度的影响。制约白光LED温升可以认为合适而使用冷却LED封装印刷电路板的办法，主要端由是封装天然树脂高温状况下，加上强光映射会迅速劣化，沿袭阿雷纽斯法则温度减低10℃生存的年限会延长2倍中国照明电器协会 LED照明门户网站。

因为散热装置与印刷电路板之间的细致精密性直接左右导热效果，因为这个印刷电路板的预设变得十分复杂。

为了减低热阻抗，很多海外LED厂商将LED芯片设置在铜与瓷陶材料制成的散热装置（heat sink）外表，继续再用烧焊形式将印刷电路板的散热用导线连署到利用冷却风扇强迫空冷的散热装置上。因为东芝Lighting领有浩博的试着制做经验，因为这个该企业表达因为摹拟剖析技术的进步提高，2006年在这以后超过60lm/W的白光LED，都可以轻松利用灯具、框体增长导热性，或是利用冷却风扇强迫空冷形式预设照明设施的散热，不必特别散热技术的板块结构也能够运用白光LED。

Lumileds于2005年着手制作的高功率LED芯片，结合容许温度更高达+185℃，比其他企业同级产品高60℃，利用传统RF 4印刷电路板封装时，四周围背景温度40℃范围内可以输入相当于1.5W电力的电流（约是400mA）。这也是LED厂商完全一样认为合适而使用瓷陶系与金属系封装材料主要端由。纵然封装技术准许高卡路里，然而LED芯片的结合温度却可能超过容许值，最终业者终于了悟到解决封装的散热问题才是根本办法。

三种主流LED封装散热结构
LED封装光源的散热问题，一直是LED产品开发中遇到非常重要的问题，特别是散热材料的选用，一直是工程师的难题。因为产品材料的导热性能就非常之关键。

就目前而言，陶瓷材料是导热性能非常好的材料，它有导热率高，良好的物量性能（不不收缩，不变形），良好的绝缘性能与导热性能。因此，采用陶瓷材料将是未来LED产品开发的主流趋势！

下面对几种LED封装常用材料的相关参数、性质及结构进行了对比。并图解了LED封装常用陶瓷支架的生产原理。

LED封装常用材料相关参数对比图

从提供的资料看，所用的陶瓷材料是三氧化二铝，我认为用它替代铜，简直是技术倒退！除非你打算让LED的芯片工作到150度以上的温度。大家实测一下图中第一和第二种结构芯片的温度就知道那种陶瓷的不好了。

大家要明白，电子工业中采用所谓“导热陶瓷”（实际导热远不如铜、铝等金属）的目的是什么。并非是它导热比常用的导热金属的导热能力强，而是在于陶瓷的绝缘性能和低的膨胀系数。当这两项参数不是问题时，使用陶瓷绝对无益。导热好的陶瓷导热性能不如铜，与铝相当，价格高，加工难，脆性大，不抗震动。

提示一下，有兴趣的可以去看看下面几种材料的性能再回来看这个帖子。氧化铝、氧化铍、氮化铝、纯铜、纯铝、散热用的几种合金铝、铝基板及铝基板的绝缘层，等等。好好学习一下这些材料的物理特性，再了解一下它们的价格。

LED热隔离封装技术及对光电性能的改善
在传统的白光LED封装结构中，荧光粉直接涂覆于芯片上面，工作时，芯片释放的热量直接加载在荧光粉上面，导致了荧光粉的温升，使得荧光粉在高温下转化效率降低。而在荧光粉与芯片之间引入一层低导热的热隔离层能够有效的阻止芯片的热量直接加载到荧光粉上，降低了荧光粉层温度，使得白光LED在大电流注入下都能保持较高的流明效率。除了芯片释放的热量之外，涂覆的荧光粉受蓝光激发时，因荧光粉的转化效率尚未达到100%，另外由于散射等其它损耗的存在，荧光粉颗粒本身也会有少量的热量释放，容易形成局域热量累积，为此当荧光粉材料转化效率较低时，还需为荧光粉提供散热通道，防止荧光粉颗粒局域热的生成。下面通过传统荧光粉涂覆方式和热隔离封装方式两组实验对比了解两种结构中芯片和荧光粉的热相互作用。

1. LED芯片对荧光粉的加热
为了*价LED芯片对荧光粉热性能方面的影响，我们制作了两组白光LED封装结构，一组采用传统的荧光粉涂覆方式，另一组采用热隔离的荧光粉涂覆方式，图1是该热隔离封装结构的剖面制样图。

传统白光LED横截面图示(a)荧光粉热隔离封装结构(b)，h=1mm

图1 传统白光LED横截面图示(a)荧光粉热隔离封装结构(b)，h=1mm

荧光粉热隔离封装结构是通过荧光粉覆膜的方式实现的。荧光粉覆膜技术是我们提出的一种新型荧光粉涂覆方法，即根据出光要求设计好荧光粉膜层的结构，在专用模具内完成荧光粉膜层的成型，剥离后，将荧光粉膜层转移到LED芯片上方，同时LED芯片和荧光粉膜层中间还有一层低导热系数的硅胶层。为了表明两种封装结构热性能上的差别，我们比较了两种封装结构表面的温度分布图。图2是两种封装结构在200、350和500mA直流驱动下表面IR Camera测得温度径向分布。在200 mA驱动电流下时，热隔离封装结构比传统封装方式中心温度低1.6℃。在350mA和500mA注入电流下时，荧光粉层的温差分别达到了8.5℃和 16.8℃，并且在500mA注入电流下时，传统结构荧光粉的表层最高温度已经达到130.2℃。另外，热隔离封装结构整个荧光粉表层的温度都很均匀，而传统结构中荧光粉中心温度较高，在大电流时尤为明显。

我们通过有限元模拟来分析封装结构中的参数变化对白光LED性能的影响。结果表明，可以通过封装结构设计及封装材料热导率调整来调控荧光粉层的温度。图3是LED热隔离封装结构中的温度纵向分布，荧光粉层的温度通过引入的热隔离硅胶层大大降低了。

传统结构和热隔离结构中荧光粉表面的温度曲线，红色为实验值，蓝色为模拟值

图2 传统结构和热隔离结构中荧光粉表面的温度曲线，红色为实验值，蓝色为模拟值

热隔离封装结构中，样品沿h2方向的径向温度分布(h2=1mm)

图3 热隔离封装结构中，样品沿h2方向的径向温度分布(h2=1mm)

综上所述，降低荧光粉层温度的有效办法是在芯片与荧光粉层之间引入低导热的热隔离层，尤其对于更大功率的LED器件而言，对荧光粉的热控制技术显得尤为重要。

2．荧光粉局域热效应
荧光粉层并不是具有均匀热导率的单一介质，而是由荧光粉颗粒与低导热的硅胶混合而成，每颗荧光粉颗粒由硅胶包裹而成。我们的研究结果表明荧光粉颗粒在不同的转化效率下(即不同的释热量)芯片和荧光粉的温场分布。在荧光粉转化效率高(>80%)的情况下，荧光粉的温度主要受芯片加热的影响。荧光粉距离芯片越近，温度越高，热隔离的措施能有效降低荧光粉的温度。在荧光粉颗粒发热明显的情况下，由于包裹荧光粉颗粒是低导热率的硅胶，荧光粉颗粒会形成局域热量，使得荧光粉颗粒的温度升高，甚至超过芯片的温度。而出现荧光粉局域热量的条件是荧光粉的低转化效率，导致荧光粉释热大。

在实际的LED封装结构中，荧光粉的转化效率高，荧光粉的温度主要是由于芯片的加热作用，荧光粉与芯片直接有效的热隔离能明显降低荧光粉的温度。进一步降低荧光粉层的温度可以通过提高荧光粉层的导热率来实现。

为了表明两种封装结构对白光LED光色性能的影响，我们把LED白光光谱中蓝光波段(Blue) 和黄光波段(Yellow)提取出来，以蓝光波段光谱和黄光波段光谱的积分量比例值(B/Y)作为光谱*价依据。图4表明的是电流从50mA到 800mA，两种情况下B/Y值跟注入电流的关系，B/Y值的变化反映了白光LED光色的变化，在图6中，我们展示了两种结构中光通量、色温(CCT)跟注入电流的变化关系。两种封装结构中，注入电流在达到300mA以前，两者光通量的值几乎没发生变化，随着注入电流的继续升高，热隔离封装结构显示了更好的光饱和性能。色温CCT反映了白光LED光色的表现性能，注入电流从50mA增加到800mA，热隔离结构的LED色温仅变化253K，而传统结构 LED色温变化达1773K。图5中B/Y值的变化也反映了这种趋势，热隔离封装结构在较大的电流变化范围内B/Y值变化很小，而传统结构中B/Y值的变化很大。在传统结构中，电流越大时，B/Y值也随着增大，这说明随着电流增加，LED光谱中蓝光成分增强，而将蓝光转化为黄光的荧光粉转化效率下降。而造成荧光粉转化效率下降的一个重要原因就是芯片对荧光粉的加热，造成了荧光粉温度上升。

两种封装结构中白光LED光谱中蓝光段

图4 两种封装结构中白光LED光谱中蓝光段(Blue)与黄光段(Yellow)光强比(B/Y)(插图是蓝光和黄光比例)

两种封装结构光通量(左轴)和色温(右轴)与电流的依赖关系

图5 两种封装结构光通量(左轴)和色温(右轴)与电流的依赖关系

荧光粉热隔离封装结构带来光色性能的改善，一个重要原因是由于该结构降低了荧光粉的温度，使得荧光粉保持了较高的转化效率。