大功率LED散热机理相关问题分析

引言

在研究大功率LED时，必不可少的就是研究散热。随着温度的升高，LED的寿命下降非常厉害，如果超过℃，会直接将LED烧坏，所以研究LED散热问题，是刻不容缓的大问题。

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大功率LED散热机理

1LED的热量传递

热量传递过程：LED的热源来自于PN结，热量从PN结散发到外延层，再到封装基板、外壳，最后才是空气。热传播方式可分为3种：

传导：热量在芯片的热源处向外传递的过程，称其为热传导，从微观角度，气体、液体、金属、半导体、绝缘体，其导热机理是截然不同的。金属的导热性比较好，是因为金属的内部的分子，原子和电子等发生热运动，将热量从高温区传导到低温区。气体导热是跟分子运动有关，气体分子通过不规则的热运动传递热量，绝缘体的放热方式是晶格振动。从材质上看，LED是半导体材料制成，介于绝缘体和金属之间，所以LED既可以通过载流子导热，也可以通过晶格震动导热。但是通过对比两种导热方式的导热率，很显然晶格导热占主要位置，所以应采用高热导的材料。

对流：如果在热量传递过程中，流体本身发生了相对位移，称这种导热方式为对流导热。一般依靠气体流动或是水冷散热，但是LED的芯片是密封在灯管中，灯管里的空气有限，不可能实现空气对流。

辐射：如果物体的热量需要通过电磁波的来传递，称这种热传递的过程为热辐射，这种电磁波的波长在可见光范围之外，以红外为主。可以通过史蒂芬波尔兹曼热发明的辐射定律计算出所发出的辐射能。

2热阻

热阻，顾名思义就是热量经过物体是所受的阻力。热阻的是由材质本身的性质所决定，类似电阻，热阻与流经材料的横截面成反比，和导热系数成正比。可以采用和电阻类似的方法计算出热阻。

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LED的芯片结构

LED的芯片结构对LED散热有很大的影响，比如采用倒装的芯片结构，将基板直接封装在热沉上，可以加快LED的散热。因此，分析LED芯片结构对散热的影响，对研究LED散热问题很有意义。

1正装芯片结构

正装芯片结构是最早出现的封装结构，在小功率的芯片的中广泛使用。该结构，电极在上方，从上至下材料为：P-GaN，发光层，N-GaN，衬底。目前市面上多用Ⅲ族氮化物作为蓝宝石的衬底，而蓝宝石衬底具有绝缘的特性，故而一般都采用正装结构。

正装结构的LED光源从P型GaN射出。该结构简单，制作工艺相对成熟。正装结构的发光源和电极在同一侧，电极的也会挤占发光面积从而影响发光效率。正装结构采用蓝宝石衬底，而蓝宝石导热性比较差，会阻碍热量的传递，而且正装结构通常会有一层环氧树脂，环氧树脂的导热能力比较差，热量只能通过引脚传导散热片上，远远达不到散热的效果，导致环氧树脂迅速老化，影响LED的寿命。

2倒装芯片结构

相比于正装结构，为了避免因电极挤占发光面的问题，研发了倒装芯片结构。这种结构将LED的结构倒焊，使芯片发出的光直接从电极的另一面出去。

倒装结构以飞利浦为主，中国大陆和台湾也在研发这种芯片。目前倒装结构分为两种，一种是在蓝宝石的基础上倒装，保留蓝宝石的衬底，对电流密度的提升的并不明显，但是对散热来说，有了不小的提高。另一种是直接不要衬底材料，可以提升电流密度。

倒装技术在传统IC行业中已经被广泛应用且比较成熟，但在LED领域上还是一个比较新的技术概念，像芯片尺寸封装（CSP）即无封装制程技术，晶片级芯片尺寸封装等等，全部采用倒装芯片技术，其优点是生产效率高、器件成本低和可靠性高。

年，市场上出现了可以直接贴装的倒装LED芯片，简化了倒装工艺，直到现在已经出现了无封装制程技术，在制造过程中完成荧光粉的涂抹，直接在PCB上贴片完成，可以直接作为光源使用，使LED体积更小，减少了散热面，进一步降低了热阻。

3垂直芯片结构

垂直结构LED放弃传统的蓝宝石衬底，转而使用(Si、Ge以及Cu等)高导热率的材料为衬底，在很大程度上提高了LED的散热效率。采用垂直结构的LED，其N极和P极的两个电极在外延层两侧。

不同于正装电极两端横向电流流动，垂直结构的拥有图形化的N电极，基本上可以让电流垂直流过LED的外延层，几乎没有横向电流存在，降低了结温。而且垂直结构也解决了P电极挤占发光面的问题，提升了发光面积，也就提升了发光效率。

虽然垂直结构的芯片有诸多的优点，导热性好，衬底也比蓝宝石衬底便宜许多，发光面积和光效也比较高，但事实上在市场上却很少有垂直结构的产品。

垂直结构的制造工艺比较复杂，不管是使用硅衬底还是金属衬底，良率始终不高，很难达到60%以上。随着技术的发展，对垂直结构研发脚步从未停歇，其高性价比和高光效依然具有很大优势，符合LED市场的走向，相信不久的将来就会成为主流结构。

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LED芯片封装结构

LED的封装类型多种多样，按发出的光色有蓝色，红色，绿色，白色等等，按是否添有散射剂和颜色分为有色透明、无色透明、有色散射和无色散色四种类型。有根据封装形状的圆筒、侧向管等等。一般市面上的都是将多个管芯组装在一起，形成线光源或是面光源，而单个管芯则作为状态指示灯或是信号灯使用。

一般所见到的LED灯具，大多是多个管芯的组合而成，在封装中，采用不同成分的环氧树脂所发出的光也不同。不同的封装结构使用的场景和功能也会有所不同。要提高LED的散热，首先就是要优化LED的封装结构和材料，封装结构以低热阻为主。所以在材质选择上要使用低热阻的热沉和基板，但并非热阻越低越好，需要考虑到LED内部各种材料之间的配合，让PN结的温度可以有序的从内到外散发出去，根据LED发光原理和散热途径的分析，可以采用倒装的芯片结构，增大芯片的面积。并可以适当采用水冷等方式加快散热。在实际运用中，PCB线路板作为热传递途径中重要的一环，其导热性也非常重要。

1PCB线路板的选择

为了提高大功率LED的散热，LED芯片一般是直接焊在线路板上的，LED的主要散热方向是向下散热，所以采用面积较大的敷铜层作散热面，将PCB敷铜层和和散热面焊在一起，可以比较好的提高散热效率。大功率LED主要的散热路径是从产生温度的PN结开始，经过管芯，散热垫到敷铜层，但很多时候会采用双层的敷铜层。

2LED的引脚式封装

LED早期的封装模式采用的就是引脚式封装，多应用于小功率的封装，它用引线架当作封装外形的引脚。这种封装技术进过多年的发展，技术比较成熟，市场的品种也多种多样，而且不断在改进当中，特别是封装结构和反射层方面。引脚式封装的结构比较简单，运用比较广泛，缺点是封装热阻比较大，寿命相对不是很高。

3LED的表面贴装封装

表面贴装封装的LED，采用将封装好的元器件直接贴焊到PCB表面，提高散热效率。首先将芯片的引脚焊接到焊盘上，然后将整个芯片直接贴装到PCB表面，通过波峰焊或是回流焊，使芯片和电路之间连接起来。表面贴装封装是没有引线的，相比传统的引脚式封装，采用表面贴装方式的LED体积小，光线的角度大，均匀性比较好，可以发出各种颜色的光。

4LED的功率型封装

为解决散热和光效不高的问题。功率性封装技术，就此诞生。目前LED功率型封装有5种形式：

①功率型SMD封装，即功率型表面贴装封装

②铝基板(MCPCB)封装

③大尺寸环氧树脂封装

④仿食人鱼式环氧封装

⑤飞利浦的Luxeon系列封装。

功率型LED的热特性对LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等都有很大的影响，因此，对功率型LED芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。

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LED封装材料

1基板散热的选择

陶瓷散热基板即以陶瓷材料制成的特殊工艺板。这种基板具有良好的电绝缘、高散热，低热阻、寿命长等性能。广泛被应用于LED领域，目前大功率的LED基本上都使用陶瓷基板。目前市场的陶瓷基板根据膜厚可以分为两种，即厚膜陶瓷散热基板和薄膜陶瓷散热基板。

2环氧树脂的选择

目前市场上多采用导电硅胶和银浆作为粘结材料。用环氧树脂和有机硅胶组成的导热硅胶是无毒、无腐蚀、无污染的环保硅胶，具有很强的粘结强度，固化速度快，能够在-60℃~℃之间工作，导热性能也比较好。导电银浆是环氧树脂和银粉的复合物，一般含银量在60%~70%之间。具有良好的导电导热能力。缺点是会吸收光，导致LED光效下降。

3衬底的选择

LED芯片制造过程中，衬底极为重要。外延的生长需要根据不同的衬底材料选用不同的工艺，在芯片加工制程，封装工艺制程，衬底都有决定性的作用，简而言之，LED照明的技术的核心就衬底。目前市面上有三种衬底材料：蓝宝石（Al?O?）、硅（Si）、碳化硅（SiC）。

4电极层

选取电极材料，应该充分考虑到和氧化铝陶瓷的结合问题。因为，氧化铝陶瓷的性质比较稳定，热膨胀系数只有7.2×10-6m/m·K，而金属的膨胀系数远远高于这个值。目前，焊线都采用无铅焊接的方式，所以要求电极材料有比较好的可焊接性。金属材料尽可能的容易得到，对环境没有污染，价格比较低廉，具有良好的导电率和延展性，方便做成不同的样式。

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结语

总之，大功率LED以其优良的特性在照明市场有很大的潜力，若能改善大功率LED的散热问题，可以推动大功率LED的量产化，打破美日国家技术封锁，实现我国大功率LED的自主化，产业化的发展目标。

■来源/《机电工程学刊》