高功率LED散熱技術(shù)研究進(jìn)展
高功率、高亮度、小尺寸是LED的發(fā)展方向，因此散熱問題變得至關(guān)重要，對(duì)LED芯片級(jí)、封裝級(jí)、系統(tǒng)級(jí)三個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化管理缺一不可。
發(fā)光二極管（Light- Emitting Diode , LED），一種電致發(fā)光器件。具有耗電量少、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、體積小、無(wú)污染、易集成化等優(yōu)點(diǎn)。
LED已被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品顯示屏的背光源，汽車前大燈以及城市道路照明等領(lǐng)域。一般將1W及以上的LED稱為大功率LED ?
目前實(shí)現(xiàn)大功率LED方法一般有兩種：一是直接封裝單個(gè)大功率LED芯片，二是多個(gè)小功率芯片組合封裝。它們均只能將10%~15% 的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，而其余85%~90%的輸入功率以非輻射形式轉(zhuǎn)化為熱能。
隨著芯片發(fā)光效率和功率的大幅提高，LED結(jié)溫不斷上升，引起應(yīng)力分布不均、發(fā)光效率降低、熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降等一系列問題，大大降低了LED使用壽命。當(dāng)結(jié)溫超過一定值時(shí)，器件的失效率將成指數(shù)規(guī)律上升。
因此為了推廣高功率LED產(chǎn)品的應(yīng)用，必須研究合理的熱管理方案。
芯片封裝結(jié)構(gòu)
普通高功率LED封裝模型如圖１所示。其散熱途徑有兩種，一種是芯片－真空－透鏡－大氣，另一種是芯片－芯片粘結(jié)劑－封裝基板－散熱片－大氣。總熱阻是由兩種散熱途徑形成的串聯(lián)熱阻再并聯(lián)而成。
2001年LumiLeds公司研制出倒裝結(jié)構(gòu)芯片，如圖３所示。相比于導(dǎo)熱率僅為38 W /( m · K )的藍(lán)寶石襯底的正裝結(jié)構(gòu)，其采用 Si和 AlN 為襯底材料，導(dǎo)熱率分別為100 W /( m · K )和230 W /( m· K )。
LED熱源產(chǎn)生的熱量經(jīng)由熱導(dǎo)率高的襯底導(dǎo)出，從而降低芯片內(nèi)部熱阻，并且倒裝結(jié)構(gòu)將光熱傳輸通道分離，輸出光由透射率較高的藍(lán)寶石射出，提高出光率，基于上述優(yōu)點(diǎn)，倒裝芯片結(jié)構(gòu)得到了很好的應(yīng)用。
為了減少熱積聚現(xiàn)象，2014 年，K.C.Yung等人提出了非等偏距的LED芯片陣列。偏距分別為10mm 和8mm，并與等偏距為5mm的芯片陣列進(jìn)行模擬結(jié)果的對(duì)比（圖4）。圖 5是兩種陣列方式中間一行5顆芯片(分別為芯片1，芯片2，芯片3，芯片4，芯片5 )的溫度趨勢(shì)圖。
結(jié)果表明：對(duì)于等偏距陣列，5顆芯片的溫度分布十分不均，且平均溫度很高，約為 52℃ 。而對(duì)于非等偏距陣列，5顆芯片溫度明顯降低，且各芯片溫度分布均勻，平均溫度約為35℃ ?
封裝材料主要包括封裝基板和連接各部分的熱界面材料。
材料選擇原則
a、較高的導(dǎo)熱率
b、與芯片有較匹配的熱膨脹系數(shù)
c、較好的強(qiáng)度?穩(wěn)定性?絕緣性
d、較低的成本和簡(jiǎn)單的制作工藝
封裝基板
大功率LED常用的封裝基板有三類：金屬基印刷電路板(MCPCB)、陶瓷基板、金屬／陶瓷 復(fù)合基板。
金屬基印刷電路板
金屬基印刷電路板是將原來(lái)普通的PCB貼附在熱導(dǎo)系數(shù)相對(duì)較高的金屬上（銅、鋁），以此來(lái)強(qiáng)化散熱效果。
為防止上下通電，在中間添加一層絕緣層，它是一層低熱阻絕緣材料，是金屬基印刷電路板的核心技術(shù)所在。
一般常見的絕緣層導(dǎo)熱率都很低，無(wú)論采用何種MCPCB，導(dǎo)熱率均只在1~2.2W /( m · K )左右。
金屬與芯片襯底材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，容易導(dǎo)致裂縫、錯(cuò)位、脫層等問題。
但是MCPCB價(jià)格適中，也正是如今被高功率LED廣泛使用的原因。
陶瓷基板
以直接燒結(jié)成形的陶瓷基板作為封裝基板，其具有良好的絕緣性能，不需要額外的介電層，同時(shí)也有不錯(cuò)的熱導(dǎo)率，和與芯片材料相匹配的熱膨脹系數(shù)( 4~8×10 -6 /k )。
常見的陶瓷基板有： AlN ?Al2O3和BeO ，由表１可知AlN不僅具有較高的熱導(dǎo)率而且有著與芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)，故而成為未來(lái)陶瓷基板的發(fā)展方向。
但是AlN導(dǎo)電率低，目前實(shí)現(xiàn)其金屬化的方法有直接覆銅(DBC)、厚薄膜基板和多層陶瓷基板，它們均具有良好的導(dǎo)熱性能，但是陶瓷基板的價(jià)格高出金屬基板好多，且加工困難，目前在市場(chǎng)上并不多見，因此需要尋求更好的基板材料。
金屬/陶瓷復(fù)合基板
金屬基復(fù)合基板結(jié)合了金屬材料導(dǎo)熱率高和陶瓷基板熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，改善了元器件的可靠性和穩(wěn)定性。
目前常用的復(fù)合基板是 Al-SiC，其制備方法分為無(wú)壓浸滲和真空壓力浸滲兩種。
采用真空壓力浸透對(duì)Al-SiC進(jìn)行制備，該技術(shù)不需要對(duì)Al和SiC進(jìn)行預(yù)處理,生產(chǎn)效率提高，且材料結(jié)合強(qiáng)度高，未出現(xiàn)孔洞等現(xiàn)象。
由表1看出復(fù)合基板結(jié)合了金屬與陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，從而成為基板的最佳選擇方案。
熱界面材料
熱界面材料的作用主要是粘結(jié)上下兩個(gè)元件，并填充上下兩個(gè)元件因凹凸不平產(chǎn)生的間隙，而降低接觸面熱阻。由表2看出金錫合晶的熱導(dǎo)率最高,得到的界面熱阻也最小，是用于散熱的最佳材料。隨著LED功率的不斷提高，對(duì)散熱的要求也越來(lái)越高，尋求導(dǎo)熱性能更好的熱界面材料迫在眉睫。如在熱界面材料填充石墨烯，碳納米管制備新型的復(fù)合材料成為未來(lái)研究的方向。
翅片
散熱翅片有兩種類型：平面體和柱狀體。柱狀體容易產(chǎn)生紊流，流速較慢，散熱效果不好，而平面體翅片能獲得更好的傳熱效果。翅片的形狀、位置、尺寸都對(duì)散熱效果有影響。
當(dāng)翅片朝向側(cè)面且垂直于地面時(shí)，結(jié)溫最低，這是由于翅片上的熱空氣可以順暢向上流動(dòng)，致使翅片底部溫度最低，愈往上隨著空氣熱量散發(fā)，而不會(huì)在芯片內(nèi)部積聚。
翅片尺寸是影響散熱性能的重要因素。Culham等運(yùn)用Icepak軟件在翅片擺放最佳位置的基礎(chǔ)上采用單一變量法，以散熱器的翅片厚度、翅片數(shù)、翅片高度為相應(yīng)因子，散熱器溫度為相應(yīng)值對(duì)翅片進(jìn)行優(yōu)化。
研究表明一味地增加翅片厚度或減小間距將阻礙空氣流動(dòng)，反而會(huì)增大翅片溫度。翅片高度越大，翅片溫度越低，當(dāng)增大到一定值后，溫度下降幅度不再明顯。
二次散熱技術(shù)
隨著高密度高功率LED的生產(chǎn)與應(yīng)用，單靠翅片已經(jīng)不能滿足散熱需求，應(yīng)考慮采用二次散熱。目前二次散熱方法包括：風(fēng)冷、液冷、熱電制冷、熱管制冷四種。
風(fēng)冷
普通風(fēng)扇具有噪音大、功耗高、可靠性差等缺點(diǎn)，甚至帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)因漏磁而干擾正常工作，故在 LED設(shè)計(jì)中很少運(yùn)用。
已有研究人員通過電離空氣產(chǎn)生離子風(fēng)的方法來(lái)冷卻LED芯片，該技術(shù)的傳熱性能為普通風(fēng)扇的1.4倍；研制出了雙壓電扇，傳熱性能是普通風(fēng)扇的2.3倍，它具有完全靜音、操作簡(jiǎn)單、封裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但是高電壓、不耐塵、壽命無(wú)法保證等缺點(diǎn)也限制了其生產(chǎn)應(yīng)用。
液冷
近年來(lái)有研究者用金屬液體作為冷卻介質(zhì)，不僅具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)，而且金屬循環(huán)可以使用電磁泵驅(qū)動(dòng)，無(wú)需機(jī)械運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。但是液冷散熱系統(tǒng)具有體積大，成本高，工藝復(fù)雜，性能不穩(wěn)定，對(duì)循環(huán)冷卻裝置密封要求極高等缺點(diǎn)，在未來(lái)LED應(yīng)用中還有待提高。
熱電制冷
這種技術(shù)不但能從根本上解決大功率LED的散熱問題，而且允許LED 器件在高溫、震蕩的環(huán)境下正常工作。但是熱電散熱器與熱沉通過熱界面材料連接，不僅增加熱阻而且器件工作時(shí)容易引起失效。
采用MEMS封裝工藝將熱電散熱器直接與LED基板封裝，這種封裝方式使LED基座與環(huán)境之間的熱阻減小為０，LED的發(fā)光效率是沒有熱電制冷的1.3倍。但同時(shí)該技術(shù)自身會(huì)耗電，熱電轉(zhuǎn)換效率不高，因而影響LED的節(jié)能性能。
熱管
熱管技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、散熱性能好、無(wú)需機(jī)械運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)得到了更為廣泛的應(yīng)用。而如何將熱管技術(shù)與其他散熱技術(shù)相結(jié)合，成為未來(lái)研究LED散熱的一種趨勢(shì)。
結(jié)論與展望
高功率、高亮度、小尺寸是LED的發(fā)展方向，因此散熱問題變得至關(guān)重要，對(duì)LED芯片級(jí)、封裝級(jí)、系統(tǒng)級(jí)三個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化管理缺一不可。
每一步都必須遵循功耗低、散熱性高、穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)、出光率高、成本低、體積小的設(shè)計(jì)理念。
目前選擇復(fù)合型材料作為基板和熱界面成為一種趨勢(shì)；芯片倒裝結(jié)構(gòu)、熱管技術(shù)與其他散熱技術(shù)的結(jié)合有著很好的發(fā)展前景。
隨著LED技術(shù)的不斷成熟，在新的封裝材料和封裝結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合下，更加舒適、智能和美觀的LED將逐漸走向未來(lái)市場(chǎng)。
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