大功率LED 散熱問題的探討

謝海瑞

（閩西職業(yè)技術學院電氣工程系，福建龍巖 364021）

1962年LED 被開發(fā)，自此先后研發(fā)成功了橙色、藍色、紅色、綠色以及紫外、紅外二極管，一開始可見光發(fā)光二極管被應用于顯示光源，如道路標識燈、剎車燈、交通信號燈、大面積的彩色顯示等等。當然，在LED 制造工藝的不斷完善與進步，以及新型材料被廣泛開發(fā)與應用以后，LED 從單色發(fā)展到了白色，并逐漸從信號顯示轉向照明光源，白光LED 半導體固體光源性能得到不斷完善，目前已經(jīng)進入了實用階段。

1 LED的原理

LED的核心部分是由n 型半導體與p 型半導體組成的晶片，利用注入式發(fā)光原理制作而成。在n 型與p 型半導體之間，有一個p-n 結的過渡層，當注入的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子復合時，多余的能量會以光的形式在某些半導體材料中釋放出來，進而將電能轉換成光能。如果反向加電壓，那么難以注入少數(shù)載流子，因此也就不會發(fā)光。

LED 由周期表中的V 族元素與Ⅲ族元素組成，是由化合物半導體材料組成，如：磷化鎵與砷化鎵是單色LED 常用的材料。目前，氮化鎵是制造白光LED的主要材料。對于GaN 薄膜材料，目前還沒有體單晶GaN 可以同質外延，主要是依靠有機金屬氣象沉淀法，在相關的異型支撐襯底上來生成。在沉底上依次鍍上n-A1GaN、p-A1GaN、n-GaN 等材料，然后使用一系列工藝過程，如：封裝、劃片，來完成制造。這種工藝目前發(fā)展成熟，但由于藍寶石是GaN 基LED的主要襯底材料，所以能夠替代它的襯底材料目前還未發(fā)現(xiàn)。

2 大功率LED 散熱的重要性

傳統(tǒng)管芯的功率比較小，需要散熱也不多，所以在散熱上，并沒有什么嚴重問題，但大功率的LED 就不同了，它的芯片功率密度非常大。目前，由于半導體制造技術的原因，有80%以上的輸入功率轉化為了熱能，只有不到20%轉化成了光能。芯片的熱量如果只是簡單的按比例將封裝尺寸放大，是無法散發(fā)出去的，且極有可能會導致焊錫融化，造成芯片失效，而加快熒光粉與芯片老化是必然會發(fā)生的情況，LED的色度在溫度上升時也會變差。對LED 來說散熱具有非常重大的意義，一般要求結溫在110°C 以下，這樣才能保證器件的使用壽命。

目前，大功率LED 封裝需要考慮的首要問題就是如何改進不斷增大的芯片功率所帶來的散熱問題。目前，比較常用的改進LED 散熱問題的方法有兩種，分別是：加快散發(fā)內(nèi)部熱量，對LED的散熱結構進行改進，使芯片的溫度可以有效降低；從根本上減少熱量的產(chǎn)生，提高芯片的發(fā)光效率，提高器件內(nèi)量子效率。

3 加快LED 熱量散發(fā)的常用方法

3.1 采用有良好導熱性能的材料

不管是采用哪種裝焊方式，都需要將芯片通過粘接材料來粘接到金屬熱沉上（圖一所示）。也就是說，如果粘接材料能有更高的導熱性能，就可以將粘接材料層的厚度減少，從而使器件的散熱能力顯著提高以及使倒裝焊LED的熱阻顯著降低。相關專業(yè)人士利用限元法對倒裝大功率白光LED的空間溫度場分布進行了模擬計算，得到芯片溫度的分布面圖，發(fā)現(xiàn)了在底部金屬熱沉和芯片的粘接部分之間的溫度差異較大，也就說明了這一區(qū)域存在有很大的熱阻，如果我們在進行粘接時，能找到有更好導熱性能的材料，那么器件的熱阻會得到有效的降低。

3.2 采用倒裝焊方式

目前，常用的倒裝焊及正裝焊LED 芯片功率結構示意圖（如圖一所示）。倒裝焊芯片結構，是為了進一步提高功率型LED 器件的出光效率及散熱能力而研發(fā)。器件熱傳導的介質采用熱導率較高的Si 材料，將LED 芯片通過倒裝焊技術鍵合在Si 襯底上，這是倒裝焊結構的特點。倒裝焊LED 芯片結構與正裝焊結構相比，可以使熱量直接由焊接層傳至Si 襯底，不必經(jīng)由藍寶石襯底，再由粘接材料和Si 襯底直接傳到金屬底座。Si 材料的熱導率也是比較高的，就進一步提升了其散熱能力，可以有效降低器件的熱阻。在提高器件的散熱能力，降低熱阻方面，倒裝焊結構具有極為明顯的潛在優(yōu)勢。

3.3 采用散熱器進行散熱

水冷、熟管技術、風冷、微管道散熱等，是目前較為常用的散熱技術。

風冷散熱器對電子芯片的散熱是最直接、簡單、并且成本最低的散熱方式。風冷散熱器示意圖，（如圖二所示）。大多數(shù)中、低功耗的電子設備或者器件中，一般應用的都是空氣冷氣或者是強制風冷技術，因為風冷散熱器原理非常的簡單：就是將芯片耗散的熱量通過粘接材料來傳遞到金屬底座上，然后再由金屬底座傳遞到散熱片，最后通過強制對流或是自然對流的方式，熱量就散發(fā)到空氣中了。對流和傳導是其重要的兩種傳熱方式。我們可以采用以下方法加強對流散熱和傳導，將芯片耗散的熱量在允許的溫度條件下傳遞到大氣環(huán)境。

風冷散熱器示意圖圖二

3.3.1 使散熱增大

散熱面積越大，散熱器的熱容量也就越大。對散熱器散熱效果具有重要影響的因素就是，不同的肋間距和肋片高度決定的對流面積。散熱器的換熱系數(shù)、內(nèi)氣流組織、應用特點等都受到肋片布局的直接影響。采用波紋狀肋面所制造的紊流，可以進一步提高換熱系數(shù)。

相關專家針對平板翅片方散熱器當中存在的不足，提出了一種設有釘柱的復合型散熱器。在相同的風速下，翅柱式散熱器與板翅式散熱器相比較，其表面Nusselt 數(shù)要高出30%到45%。在相同的泵送功率下，翅柱式散熱器與板翅式散熱器相比，收益因子也要高出大約20%。由此可見，翅柱式散熱器在工作情況大致相同的條件下，具有更好的散熱性能、更可靠的性高、以及更低的使用成本，其使用價值在冷卻電子設備當中相對較高。

3.3.2 使用導熱性能相對較好的材料制作散熱器

銅和鋁成為了目前常用的散熱器材料，相對來說，鋁的密度小，導熱性能較好，成本低且加工方便。銅的導熱率比鋁要大，由純銅打造的散熱器很多都具有超強散熱能力，但是銅材料易氧化，加工和材料本身成本都較高。綜合銅和鋁各自的特點，使用鋁來做散熱片，銅做底部，具有良好經(jīng)濟性和較高的散熱性能的復合型散熱器就此出現(xiàn)。

倒裝焊LED 及正裝焊LED 芯片的結構示意圖圖一

3.3.3 強迫冷風

為了改善氣流組織、改善散熱效果、加快散熱片周圍空氣的流動、提高對流換熱系數(shù)，要選擇合適的鼓風機或風扇。

相對來說水冷（液冷）的散熱效率是比較高的，而且和風冷散熱相比，沒有高噪音缺點，熱傳導率也能達到傳統(tǒng)風冷的20倍以上，在解決噪音和降溫當中，效果明顯。循環(huán)管、散熱片、微型水泵、循環(huán)管，水冷散熱裝置可大致分為以上四個部分。水冷散熱的工作原理（圖三所示）比較簡單，散熱裝置通過泵來產(chǎn)生動力，從而將液體在密閉系統(tǒng)中循環(huán)推動，通過液體的不斷循環(huán)來將吸熱和芯片所產(chǎn)生的熱量，傳遞到表面積更大的散熱裝置當中，是一個密閉的液體循環(huán)散熱裝置。液體冷卻之后會從新回流到吸熱設備當中，如此循環(huán)往復的工作。

水冷散熱系統(tǒng)原理示意圖圖三

4 結論

對于單芯片的LED 來說，散熱片的數(shù)量越多，其散熱面積就越大，芯片的熱阻和結溫也就越低。減小粘接材料的厚度，增大粘接材料的導熱率，可降低芯片的熱阻和結溫，有利于散發(fā)芯片的熱量。增加肋片的數(shù)量，增大肋片的直徑，對降低芯片的熱阻和結溫極為有利。隨著散熱面積的增大，當散熱面積較小時，芯片的熱阻和結溫會急劇下降，散熱面積在增大到0.012平方米時，隨著面積的增大芯片的熱阻和結溫會隨之降低，散熱面積繼續(xù)增大到0.024平方米時，如果散熱面積再繼續(xù)增大，那么芯片的熱阻和結溫也不會隨之降低。隨著環(huán)境溫度的升高芯片結溫會隨之直線上升，同一個散熱器的熱阻不會受到環(huán)境溫度的影響。隨著加載功率的增大，芯片結溫會直線性增大，對于熱阻加載功率只有很小的影響。

[1]曾平，程光明，劉九龍.集成式計算機芯片水冷系統(tǒng)的研究[J].西安交通大學學報，2005，11（39）：1207-1210.

[2]王如剛，陳振強，胡國永.幾種LED 襯底材料的特征對比與研究現(xiàn)狀[J].科學技術與工程，2006，6（7）：121-126.

[3]錢可元，鄭代順.GaN 基功率型LED 芯片散熱性能測試與分析[J].半導體光電，2006，3（27）：236-239.

[4]吳慧穎，錢可元.倒裝大功率白光LED 熱場分析與測試[J].光電子·激光，2005，16（5）：511-514.

[5]余小玲，馮全科，馮健美.高效翅柱復合型散熱器的流動與散熱性能研究[J].西安交通大學學報，2004，11（38）：1114-1118.

[6]蔣長順，謝擴軍，許海峰，朱琳.三維多芯片組件的散熱分析[J].電子與封裝，2005，11（5）：21-25.