LED散热问题的解决方案

LED散热问题简介

据小编所了解的，LED产业发展至今已成为目前最受瞩目的产业。LED产品拥有节能、省电、高效率、反应时间快、寿命周期长、且不含汞，具有环保等多种优点优点。但是LED仍有它的不足，通常LED高功率产品输入功率大约20%能转换成光，而剩下80%的电能均转换为(de0 dian4 neng2 jun1 zhuan3 huan4 wei4)热能。我们知道，LED发光时所产生的热量如果无法散出，将直接导致LED温度过高，从而影响LED产品生命周期、发光效率、稳定性，而LED结面温度、发光效率及寿命之间的关系。

LED的散热现在越来越为人们所重视，这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低10℃寿命会延长2倍。从Cree公司发布的光衰和结温的关系图（图1）中可以看出，结温假如能够控制在65°C，那么其光衰至70％的寿命可以高达10万小时！这是人们梦寐以求的寿命，可是真的可以实现吗？是的，只要能够认真地处理它的散热问题就有可能做到！遗憾的是，现在实际的LED灯的散热和这个要求相去甚远！以致LED灯具的寿命变成了一个影响其性能的主要问题，所以必须要认真对待！首先我们看看结温是怎么产生的。

结温是怎么产生的

LED发热的原因是因为所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化成为热能。LED的光效目前只有100lm/W，其电光转换效率大约只有20~30%左右。也就是说大约70%的电能都变成了热能。具体来说，LED结温的产生是由于两个因素所引起的。内部量子效率不高，也就是在电子和空穴复合时，并不能100％都产生光子，通常称为由“电流泄漏”而使PN区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率，也就是转化为热能，但这部分不占主要成分，因为现在内部光子效率已经接近90％。内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，这部分是主要的，因为目前这种称为外部量子效率只有30％左右，大部分都转化为热量了。虽然白炽灯的光效很低，只有15lm/W左右，但是它几乎将所有的电能都转化为光能而辐射出去，因为大部分的辐射能是红外线，所以光效很低，但是却免除了散热的问题。

LED散热途径

依据不同的封装技术，其散热方法以有所不同，而LED各种散热途径方法(ge4 zhong3 san4 re4 tu2 jing4 fang1 fa3)约略可以从空气中散热，热能直(re neng zhi)接由System circuit board导出，经由金线将热能导出，若为共晶及Flip chip制程，热能将经由通孔至系统电路板而导出。一般而言，LED颗粒(Die)以打金线、共晶或覆晶方式连结于其基板上(Substrate of LED Die)而形成一LED芯片( chip)，而(_er2)后再将LED芯片固定于系统的电路板上。因此，LED可能的散热途径为直接从空气中散热(如图三途径1所示)，或经由LED颗粒基板至系统电路板再到大气环境。而散热由系统电路板 至大气环境的速率取决于整个发光灯具或系统之设计。

             

                                 图1·LED散热问题解决方案

然而，现阶段的整个系统之散热瓶颈，多数发生在将热量从LED颗粒传导至其基板再到系统电路板为主。此部分的可能散热途径：其一为直接藉由晶粒基板散热至 系统电路板，在此散热途径里，其LED颗粒基板材料的热散能力即为相当重要的参数。另一方面，LED所产生的热以会经由电极金属导线而至系统电路板，一般而言利用金线方式做电极接合下，散热受金属线本身较细长之几何形状而受限；因此，近来即有共晶 (Eutectic) 或覆(huo fu)晶(Flip chip)接合方式，此设计大幅减少导线长度，并大幅增加导线截面积，如此一来，由LED电极导线至系统电路板之散热效率将有效提升。经由以上散热途径解释，可得知散热基板材料的选择与其LED颗粒的封装方式于LED热散管理上占了极重要的一环，后段将针对LED散热基板做概略说明。

LED散热基板

LED散热基板主要是利用其散热基板材料本身具有较佳的热传导性，将热源从LED颗粒导出。因此，我们从LED散热途径叙述中，可将LED散热基板细分两 大类别，分别为(1)LED颗粒基板与(2)系统电路板，此两种不同的散热基板分别乘载着LED颗粒与LED芯片将LED颗粒发光时所产生的热能，经由 LED颗粒散热基板至系统电路板，而后由大气环境吸收，以达到热散之效果。

系统电路板

系统电路板主要是做为LED散热系统中，最后将热能导至散热鳍片、外壳或大气中的材料。近年来印刷电路板(PCB)的生产技术已非常纯熟，早期LED产品 的系统电路板多以PCB为主，但随着高功率LED的需求增加，PCB之材料散热能力有限，使其无法应用于其高功率产品，为了改善高功率LED 散热问题，近期已发展出高热导系数铝基板(MCPCB)，利用金属材料散热特性较佳的特色，已达到高功率产品散热的目的。然而随着LED亮度与效能要求的 持续发展，尽管系统电路板能将LED 晶片所产生的热有效的散热到大气环境，但是LED颗粒所产生的热能却无法有效的从晶粒传导至系统电路板，异言之，当LED功率往更高效提升时，整个LED 的散热瓶颈将出现在LED颗粒散热基板，下段文章将针对LED颗粒基板做更深入的探讨。

                                    图2·各种LED散热器件

LED颗粒基板

LED颗粒基板主要是做为LED 晶粒与系统电路板之间热能导出的媒介，藉由打线、共晶或覆晶的制程与LED 晶粒结合。而基于散热考量，目前市面上LED颗粒基板主要以陶瓷基板为主，以线路备制方法不同约略可区分为：厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、以及薄膜陶 瓷基板三种，在传统高功率LED元件，多以厚膜或低温共烧陶瓷基板做为晶粒散热基板，再以打金线方式将LED颗粒与陶瓷基板结合。如前言所述，此金线连结 限制了热量沿电极接点散失之效能。

其解决方式有二，其一为寻找高散热系数之基板材料，以取代氧化铝， 包含了矽基板、碳化矽基板、阳极化铝基板或氮化铝基板，其中矽及碳化矽基板之材料半导体特性，使其现阶段遇到较严苛的考验，而阳极化铝基板则因其阳极化氧 化层强度不足而容易因碎裂导致导通，使其在实际应用上受限，因而，现阶段较成熟且普通接受度较高的即为以氮化铝做为散热基板；然而，目前受限于氮化铝基板，不适用传统厚膜制程在银，因此，氮化铝基板线路需以薄膜制程备制。

另一种散热的解决方案为将LED颗粒与其基板以共晶或覆晶的方式连结，如此一来，大幅增加经由电极导线至系统电路板之散热效率。然而此制程对于基板的布线 精确度与基板线路表面平整度要求极高，这使得厚膜及低温共烧陶瓷基板的精准度受制程网版张网问题及烧结收缩比例问题而不敷使用。现阶段多以导入薄膜陶瓷基 板，以解决此问题。薄膜陶瓷基板以黄光微影方式备制电路，辅以电镀或化学镀方式增加线路厚度，使得其产品具有高线路精准度与高平整度的特性。共晶/覆晶制 程辅以薄膜陶瓷散热基板势必将大幅提升LED的发光功率与产品寿命。小编今天就暂时先说到这里 ， 若大家有其他不同见解或是疑问， 可以到本站的论坛去发帖跟我爱方案网网友交流...