高亮度LED的散热问题有多重要?

LED光源简介

小编所知LED(Light Emitting Diode)因发光塬理不同于传统钨丝灯光源，为利用二极体之PN接面电位差产生点状光源，因结构特性又称为固态光源。LED因具备二极体的低能量驱动特性、颗粒状组件易于在任意形状载具设置，目前已发展利用灯具之散热、光学透镜处理，让LED的点光源特性更接近熟悉的传统光源表现，搭上省电、节能议题抢进家庭照明市场，放大LED灯泡型产品，必须在有限空间内设置交换式电源、温控电路、主动散热风扇驱动电路等，空间挑战性高。将LED芯片的面积予以大型化，藉此能够获得高得多的亮度，但因过大的面积，在应用过程和结果上也会出现适得其反的现象。

所以，针对这样的问题，部分LED业者就根据电极构造的改进和覆晶的构造，在芯片表面进行改良。例如在白光LED覆晶封装的部分，由于发光层很接近封装的附近，发光层的光向外部散出时，电极不会被遮蔽，但缺点就是所产生的热不容易消散。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。，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。

                                   图1·加散热装置的LED灯

LED的散热重要性

借助全球性的能源短缺和环境污染状况，LED以其节能及环保的特点有着广阔的应用空间，在照明领域中LED发光产品的应用正吸引着世人的目光。一般来说， LED灯工作是否稳定，品质好坏，与灯体本身散热至关重要，目前市场上的高亮度LED灯的散热，常常采用自然散热，效果并不理想。LED光源打造的LED 灯具，由LED、散热结构、驱动器、透镜组成，因此散热也是一个重要的部分，如果LED不能很好散热、它的寿命也会受影响。
　　

芯片尺寸与散热的关係：

提高功率LED的亮度最直接的方法是增大输入功率，而为了防止有源层的饱和必须相应地增大p-n结的尺寸；增大输入功率必然使结温升高，进而使量子效率降低。单管功率的提高取决于器件将热量从p-n结导出的能力、在保持现有芯片材料、结构、封装工艺、芯片上电流密度不变及等同的散热条件下，单独增加芯片的尺寸， 结区温度将不断上升。

热量对高亮度LED的影响：

热量集中在尺寸很小的芯片内，芯片温度升高，引起热应力的非均匀分佈、芯片发光效率和萤光粉激射效率下降；当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律增加。统计资料表明，元件温度每上升2℃，可靠性下降10%。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。解决热量管理问题已成为高亮度LED应用的先决条件。

热量管理是高亮度LED应用中的主要问题：

由于III族氮化物的p型掺杂受限于Mg受主的溶解度和空穴的较高啟动能，热量特别容易在p型区域中产生，这个热量必须通过整个结构才能在热沉上消散； LED器件的散热途径主要是热传导和热对流；Sapphire衬底材料极低的热导率导致器件热阻增加，产生严重的自加热效应，对器件的性能和可靠性产生毁灭性的影响。

                                 图2· 高亮度的LED灯散热装置

散热处理为LED灯具设计关键

LED与传统光源一样会在发光时产生高热，只是钨丝灯光源将热集中在灯丝中，但LED的光源热度却集中在发光二极体的PN接面上，两者相较起来，钨丝灯的散热面积仍远大于PN接面的面积，甚至PN接面可以视为1个点，LED发光产生的热能全部集中在单一点上。在工程设计方面，“面」形式产生的热可用散热片或是自体增加热对流空间即可处理，但“点」状的热源在散热处理就更为复杂与困难，处理不妥很容易造成PN接面因高热、高电流出现击穿损坏，而组件长期处于高热，也会让产品的可用寿命受到影响。LED 晶粒为提升亮度表现，必须在单位LED上施加更多电源功率，同时灯具设计也会采较多数量的LED同时运行，这将使灯具内产生大量的热。

当单颗LED晶粒随亮度提升，功耗也由0.1W提升到1、3、甚至5W，经LED光源模型实测分析结果，封装模组也会因增加发光效能而出现热阻抗攀升的问题。LED 平均寿命会随着施加功率提升而缩短，塬本单颗LED组件具20,000~40,000小时寿命，可能因功率与散热处理不佳降至仅2,000小时！散热处理若从组件端着手，可在芯片设计阶段即进行散热规划，针对LED磊晶进行的散热设计方式，针对高功率、高亮度的LED组件使用覆晶(Flip-Chip)形式，利用覆晶将磊晶内的热传导出来。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······