淺議LED照明熱傳及其影響

摘要:本文闡述了熱對LED的影響，并對LED照明熱傳的基本路徑作了分析，然后逐一介紹了LED燈具上可能用到的各種散熱產品和模組，為初涉LED行業者提供了第一手的學習材料，也為LED燈具工程師提供了散熱設計的方向和參考。

關鍵詞: 結溫、熱傳路徑、界面材料、散熱器

1.引言

在全球性的能源短缺和環境污染加劇的今天，LED以其節能環保的特點有著廣闊的應用空間。與傳統照明燈具相比，它同時也具有亮度高、能耗低、壽命長、方向性好、響應快等優點。然而如果LED光源不能很好散熱、它的壽命及各種性能參數也會受影響。因此，了解LED燈具發熱原因和熱傳路徑，運用合理的熱傳材料和科學的散熱解決方案，對于推廣大功率LED照明起到一個非常重要的作用。

2.熱對LED的影響

LED是個光電器件，其工作過程中只有 15%～25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED 的溫度升高。在大功率LED 中，散熱是個大問題。按照目前芯片材料的耐溫水平，通常結溫不能大于150ordm;C，且較高的結溫對LED燈具產生較多不良影響。

2.1 結溫對LED光輸出的影響

實驗指出，當LED的結溫升高時，器件的輸出光強度將逐漸減小;而當結溫下降時，光輸出強度將增大，一般情況下，這種變化是可逆與可恢復的，當溫度回到原來的值，光強也會恢復到原來的狀態。如下圖1﹕

2.2結溫對發光波長的影響

結溫所引致的LED發光波長的變化將直接造成人眼對LED發光顏色的不同感受。對于一個LED器件，發光區材料的禁帶寬度值直接決定了器件發光的波長或顏色。InGaAlP與InGaN材料屬III-V族化合物半導體，當它們溫度升高時，材料的禁帶寬度將減小，導致器件發光波長變長，顏色發生紅移。

有經驗公式表明，波長與結溫Tj的關系為﹕

λ(T2)=λ(T1)+kΔT

其中:λ(T2)表示結溫T2時的波長;λ(T1)表示結溫T1時的波長;K表示波長隨溫度變化的系數。

2.3結溫對LED正向電壓的影響

正向電壓是判定LED性能的一個重要參量，它的數值取決于半導體材料的特性，芯片尺寸以及器件的成結與電極制作工藝。對于一個確定的LED芯片，二端的正向壓降與溫度的關系可由下式表示:Vf_{T= Vf To+K(T-To)"}

式中Vf_{T與Vf To分別表示結溫為T與To時的正向壓降，K是壓降隨溫度變化的系數。}

2.4﹑結溫對發光效率ηv的影響

LED發光效率用公式表現如下:

在輸入功率一定時:

熱量↑→結溫Tj↑→正向壓降Vf↓→電流If↑→ 熱量↑發光效率ηv ↓ ↓

LED內部會形成自加熱循環，如果不及時引導和消散LED的熱量，LED的發光效率將不斷降低。

2.5高溫下器件性能的衰變

在高溫下，LED的光輸出特性除會發生可恢復性的變化外，還將隨時間產生一種不可恢復的永久性的衰變。

通常有以下原因促成高溫條件下LED器件輸出性能的永久性衰減﹕

一是材料內缺陷的增殖，侵入發光區，形成大量的非輻射復合中心，嚴重降低器件的注入效率與發光效率。

另外，在高溫條件下，材料內的微缺陷及來自界面與電板的快擴雜質也會引入發光區，形成大量的深能級，同樣會加速LED器件的性能衰變。

高溫時，LED封裝環氧的變性，是LED性能衰變乃至失效的又一個主要原因。

3.LED燈具熱傳路徑分析

3.1 LED熱性能參數

LED芯片的散熱方式主要是傳導和對流。其中，衡量散熱性能的一個重要指標為結溫Tj，其表達式為:

T_{J= TA+Rth×PD}

式中，PD為熱耗散功率 ，Rth為LED的熱阻，Tj和Ta分別為結溫和環溫。通常，對于同樣大小功率的LED燈具來講，其結溫越小，則性能越好。

3.2高功率LED燈具熱傳路徑

對于高功率LED照明燈具﹐它的結構形式也不盡相同﹐其傳熱途徑和熱阻也略有區別。然而其大體上可沿著以下路徑傳導:結點、熱沉、MCPCB、散熱器、空氣。以下三圖較為形象地加以說明:

4.LED燈具散熱模塊熱傳材料介紹

4.1LED散熱基板材料

在LED產品應用中，通常需要將多個LED光源組裝在一電路基板上。電路基板除了扮演承載LED模塊結構的角色外，另一方面，隨著LED輸出功率越來越高，基板還必須扮演散熱的角色，以將LED晶體產生的熱傳派出去，因此在材料選擇上必須兼顧結構強度及散熱方面的要求。

傳統LED由于LED發熱量不大，散熱問題不嚴重，因此只要運用一般的銅箔印刷電路板(PCB)即可。但隨著高功率LED越來越盛行PCB已不足以應付散熱需求。因此需再將印刷電路板貼附在一金屬板上，即所謂的Metal"Core"PCB，以改善其傳熱路徑。另外也有一種做法直接在鋁基板表面直接作絕緣層或稱介電層，再在介電層表面作電路層，如此LED模塊即可直接將導線接合在電路層上。

除此之外，新型發展起來的散熱基板材料，還有陶瓷基板(Ceramic Substrate) 、

直接銅結合基板(Direct Copper Bonded Substrate) 、LED復合材料基板(Composite Substrate)等。

接下來介紹了幾種常見的LED基板材料，并作了比較。

應根據實際產品應用選擇基板材料，低功率LED發熱量不大，用PCB基板即可，對高功率LED，為滿足其散熱要求，采用MCPCB基板。我們平日所見的大功率LED照明燈具大多數使用的是鋁基的MCPCB。

4.2LED界面材料

由于散熱器底面與鋁基板表面之間會存在很多溝壑或空隙，其中都是空氣。由于空氣是熱的不良導體，所以空氣間隙會嚴重影響散熱效率，使散熱器的性能大打折扣，甚至無法發揮作用。為了減小芯片和散熱器之間的空隙，增大接觸面積，必須使用導熱性能好的導熱材料來填充，如導熱膏、導熱墊片、導熱硅酯、導熱黏合劑、相轉變材料等。

4.3散熱器

散熱器的作用就是吸收基板或芯片傳遞過來的熱量，然后發散到外界環境，保證LED芯片的溫度正常。絕大多數散熱器均經過精心設計，可適用于自然對流和強制對流的情況。即主動式散熱器和被動式散熱器。其各自的性能特點見下表:

當然，對于大功率照明用LED燈具，被動式散熱器(即不含風扇的散熱器)應用更為廣泛。通常我們選用的散熱器材料要同時具有高比熱和高熱傳導系數，鋁的這兩個參數都居于前列，是一個相當不錯的選擇。目前絕大多數散熱器都采用鋁合金作為主要材料，最為廣泛的鋁擠散熱器和鋁壓鑄散熱器。

對于大功率LED照明燈具，也有不少廠家推出各種較為新穎的主動散熱器模組，如Fin片+風扇、Fin片+熱管、液體強迫對流、微通道致冷、相變致冷等。尤其是將相變傳熱的熱管和扁平熱管(Vapor chamber)技術引入LED照明設計中，更衍生出各種效果明顯的散熱產品。以下為筆者根據自身多年散熱經驗，正在開發的一些散熱方案或構想，有興趣的朋友可以按此方向做一些設計和實驗。

5.結論

對于大功率LED燈具 ，由于其輸入功率的進一步提高，更多熱量需要有效地耗散掉 ，因此大功率LED燈具的散熱問題對于 LED 的發展是一個挑戰。本文在討論LED照明熱傳的基礎上，對各種散熱材料和產品也做了初步介紹，希望可以為今后的LED散熱設計工作者提供一些指引和參考。

(作者系德富凱照明(深圳)有限公司LED照明技術總監和LED研發部經理)

參考文獻:

[1]王厚華.傳熱學.重慶大學出版社，2006

[2]嚴華峰. LED燈具的熱特性測試，2007

[3]劉雁潮 ，付桂翠. 照明用大功率LED 散熱研究，2008

[4]李鵬. LED燈具的熱分析與散熱設計，2008

[5]A. F. Emery: Trans. ASME， J. Heat Transfer， 91: 361(1969)

[6]Wierer 11.Steigerwald D A，and Krames M R，et al. Appl Phys Lett，2001，78(22): 3379-3381