關于大功率LED散熱技術分析

廣州市機電高級技工學校 劉小鳳

LED是發光二極管簡稱的縮寫，是一種以半導體管芯為基礎的發光材料，隨著半導體材料研究的技術不斷的成熟，大規模的發光二極管得到了廣泛的應用。LED發光二級管的能耗低、照明強度高，壽命長，能夠根據具體的需要設計不同的尺寸大小，已經廣泛的應用室內裝修、汽車、道路、城市照明等。在實際工作中，LED的功率是無法達到100%的，將近有80%的輸入功率要轉換為熱損耗，隨著大規模、矩陣型的LED燈的使用，能耗也會變得越來越大，如果不能及時的處理散熱問題，將會導致熱量集中在二極管的PN結，就會降低LED燈的使用壽命，嚴重時甚至會燒毀LED。

一、大功率LED的工作原理分析

1、LED結構

PN結是發光二極管(LED)的核心，主要是半導體材料構成的，主要是GaAs（砷化稼)、GaP(磷化稼)、GaAsP(磷砷化稼)等半導體作為PN結的主要材料，在一般情況下，LED的主要PN結是一個以5mm常規半徑構成，在PN結的邊緣利用0.23mm的正方形管芯將PN結粘接或者燒結在帶引線的二極管支架上，將引線作為二極管的陰極，球形觸點的金絲鍵作為二極管的內引線，然后在它們連接到另一支架上，將多個二極管連接在一起就形成了大規模的LED矩陣。LED發光二極管的工作原理是將電能轉化光能力的過程，當在二級管的PN結兩端加上正向偏壓時，二極管的PN電勢發生變化，這時P區的正離子電荷開始向N結流動，而N結的負離子電荷也向P結流動，在P結與N結之間開始形成電勢差。在一個電光轉換過程，當在PN結兩端加載一個正向偏壓時，就會在P結與N結之間的區域形成非電荷平衡，這樣在P結與N結形成的系統中，形成的載流子是不穩定的，在PN結中的非平衡空穴要與導帶的電子復合，形成電流，而產生的多余載流子的能力會以光的形式輻射出來。

2、大功率LED陣列的熱效應及影響

目前，由于大規模LED矩陣產生的熱量如果得不到及時的散熱，就會影響LED的正常使用，在一般的情況，LED的發光效率使用的能量只能占20%左右，80%的能量作為熱量散發出去，如果LED的光通能量達到標準普通照明時，光通量要達到1000流明以上，而我們一般使用的LED照明光源LED（1mmX1mm）的功率一般是1瓦左右，而產生的熱流密度就會達到106W/m z以上，這時就需能夠及時的將產生的熱流傳導出去，否則就會積累在LED芯片的內部，從而會導致芯片的結溫升高，最終就燒毀芯片。這是LED芯片設置必須要解決的問題，當多個芯片封裝在一起時，在增加光通量的同時，也產生的更多的熱量散熱問題。電流持續通過PN結，在LED光通量增加的同時，還會導致PN結的溫度升高，進而就會影響LED的PN結內部的電子濃度，同時也會影響PN結的空穴濃度，禁帶寬度等參數，如果長時間的不能散熱，就需導致PN結的正向偏壓、發光效率、主波長等受到影響，這樣就會影響LED的使用壽命，也會影響LED的正常工作。當LED結溫的升高時，就會改變PN結之間的載流子的流動，這樣會嚴重破壞PN結的正向偏壓，導致LED不能夠正常工作。如果PN結溫度持續升高，它的工作環境就會發生變化，這時，PN結兩邊的熱平衡電子濃度就會發生變化，導致大量的少子產生，從而就會很快的激發PN結載流子的濃度比雜質比就和增加，這時就會導致PN結的歐姆接觸電阻的電阻率下降，就會將雜質半導體變成了本征半導體，造成PN結的功能消失，進而會影響PN結的正常工作。

二、大功率LED散熱技術處理

大功率LED陣列技術的芯片密度比較大，而LED的光電轉化效率只有20%，而其他的轉化為熱能，特別是在LED芯片的密度不斷增加時，就會增加LED的操作溫度，這樣就會減少LED等的使用壽命，當LED的操作溫度由63℃上升到74℃時，如下圖1所示。LED的平均使用壽命就會降低四分之三，如果要提高LED的發光效率，就需要對LED的散熱進行處理，降低LED的PN結的結溫。

圖1 LED溫度與壽命的關系

1、風冷散熱技術

空冷散熱一般主要采用的是空氣對流散熱的技術，它主要分為自然對流散熱和強迫對流散熱技術兩種方式，空冷散熱技術主要利用空氣流動來散熱，將空氣作為冷卻劑，加大LED器件周圍的空氣流動，進而能夠對功率型LED的器件進行散熱處理，風冷散熱技術的結構簡單，而且LED器件結構也比較簡單，易于封裝處理，結構簡單，設備的成本比較低，它的運行十分可靠，而且風冷散熱技術比較成熟，但是它的散熱效率比較低，一般情況下只能用于小功率的LED散熱系統中。在自然對流散熱技術的運用中，采用散熱器可以增加LED器件的散熱面積，改善LED器件的散熱性能，也能夠降低LED基板器件的相關系數，而影響LED散熱性能的因素有多種情況，例如散熱器基板的導熱系數、器件的對流換熱系數等。散熱器的散熱面積直接影響著LED的散熱情況，而散熱器的形狀對LED的散熱效率影響十分巨大。隨著LED芯片功率的不斷增大，芯片的散熱也就越來越多，采用自然對流的方式是不能滿足散熱要求，這就需要運用小風扇來增加LED器件散熱面積的空氣對流速率，進而增加散熱器的散熱系數，在具體的設計中，為了抑制風扇產生的噪音，需要將風扇設計的比較微小，甚至將其集成在LED系統中，使之技能達到散熱的效果，也能夠減少風扇的噪音。

2、水冷散熱技術

LED水冷散熱系統是大功率LED設備中常用的散熱技術之一，它的散熱介質主要是以去離子水為主，充分利用水的循環流動進行散熱。水冷散熱技術系統主要由水泵、基板、導水管等部件構成，它采用水在導水管中的流動，達到對LED器件進行散熱的目的。利用散熱管還可以增加LED的散熱面積，在工作時將LED芯片產生的熱量傳遞給基板，泵主要功能是為散熱器提供水循環動力，保證離子水能夠循環流動，LED芯片將產生的熱量傳遞給LED基板器件，基板再將熱點傳遞給水，然后導水管通過水的流動帶走熱量，達到具體的散熱效果。采用水冷散熱系統可以快速的降低LED芯片帶來的熱量，與風冷散熱相比，雖然水泵在運行的過程中還會產生一定的噪聲，但水冷散熱能夠快速的散熱，具有安靜、對環境依賴比較小等優點，在一些中小型的LED設備中得到了廣泛的應用。

3、熱管散熱技術

熱管散熱技術在LED器件散熱中也比較常見，它主要是利用熱相變來強化導熱器件進行換熱的傳統散熱技術，一般的熱管散熱技術主要由管殼、吸液芯和端蓋等幾部分構成。在LED的熱管設計上，將熱管的一端設計為蒸發段(加熱段)，便于吸收LED器件散發的熱量，將另一端設計為冷凝段(冷卻段)，功能是對傳導過來的熱量進行冷卻，大功率的LED陣列一般主要采用導熱膠粘結在蒸發段管壁上，以保證能夠有效的對LED進行散熱，在熱管運行時，管內的冷卻液在蒸發段內吸收熱量而蒸發，進而能夠帶走LED器件散發出的熱量，當蒸汽從蒸汽腔流入冷凝段，在放出熱量同時，也受到冷卻段的冷凝，然后被冷卻液體，達到對LED降溫的目的，經過冷卻的液體在LED器件的毛細結構絲網產生的毛細力作用下，然后再回流到蒸發段，這樣通過熱管冷之間的液體、氣體之間的循環，達到對LED器件進行降溫的目的，采用熱管冷卻技術的缺點是設備的制作工藝復雜比較復雜，體積極大，而且設備的成本比較高，系統整體穩定性不高。

4、熱電散熱技術

熱電散熱技術是通過將LED陣列在通電發光產生的熱能通過導熱材料將其傳遞出來，經過冷凝設備吸收熱量，主要采用熱電之間的控制達到散熱的目的，它的工作原理是以熱電效應為基礎。在無外磁場存在時，熱電散熱技術主要包括導熱設備、焦耳熱損失等效應的原理，采用熱電散熱的主要優點是它的散熱密度比較大，散熱的結果比較緊湊，并能夠與IC工藝緊密的結合在一起，系統結構的集成效果較好。與其他傳統散熱方式相比，采用熱電散熱器能夠快速的降低LED器件溫度，能夠快速的使得LED系統的溫度降低到36%以上，而且這種技術還可以進行突破，通過選擇冷效率高的熱導材料，并通過優化熱電傳導設備結構進行散熱，典型的熱電散熱技術結構如圖2所示。

圖2 熱電散熱技術結構

5、熱聲散熱技術

熱聲制冷技術主要采用熱聲效應來實現LED器件散熱的目的，熱聲效應的工作原理是將LED工作時產生的熱量加入到聲波密集區域，在設備的聲波稀疏時將LED系統產生的熱量排出，然后聲波的能量就會加強。由于聲波在空氣中進行傳播時，就會產生壓力波動或者位移的波動，通過聲波產生的壓力波動達到散熱的目的。聲波的傳播還會受到散熱器的溫度變化波動。如果在氣體的壓力、位移以及溫度發生變化是，就會與散熱器的邊界發生接觸，這樣就可以快速的將熱能傳遞出，實現聲波與熱能的轉換，進而達到散熱的目的，采用聲波散熱技術的優點是制冷的部件較少，而且使用的成本也比較低，散熱結構比較簡單等。

三、LED散熱技術指標分析

1、PN結結溫

PN結的結溫主要由于PN在通電的過程中產生的問題，一般情況下是指LED芯片的溫度也是指大功率LED芯片有源區的溫度。當PN結在工作時，由于電極之間存在電壓，就會導致P接與N結之間產生溫差，影響PN結結溫的因素主要有：

（1）LED元器件不良的電極結構。LED的PN結合材料直接影響著LED的導電情況與PN結的結溫，主要包括PN結的區域材料、導電銀膠以及視窗層襯底等部分都具有一定的電阻值，如果將這些電阻串聯在一起，在電流經過時，就會在PN通電時產生大量的熱能，如果不能及時將這些熱能排出，進而能夠導致PN結或者芯片的溫度提升。

（2）LED元器件工作時的光電效應。當PN結開始工作時，P區流向N區得電荷只有20%的轉換成光能，剩余的轉換為熱能，才能熱能就是十分巨大的，而且N區域向P區產生電荷移動時的能量全部轉變成熱能，這也會影響PN結的結溫，如果PN結的光電效能較差的話，就會導致PN結的結溫增加。

（3）LED內部器件的熱散失能力對PN結結溫產生影響。由于大部分LED器件的內部一般采用透明的環氧樹脂材料，它們的導熱率很低，PN結區域產生的熱能只有一小部分通過內部器件散發出去，而大部分的熱量散發到這種的透明的環氧樹脂材料材料中，向LED的PCB基板與熱沉等散熱器方向進行散熱，這樣就會導致了LED的散熱效率，也會導致PN結的結溫升高。

（4）PN結的制作工藝。目前，在LED的制作工藝都采用了先進的技術水平，幾乎能夠將全面的電能轉化為熱能，但是如果LED的PN周圍的介質對光的折射系數過大，就會將反射回芯片內，從而也會導致PN結的結溫過高。

2、LED熱阻對散熱指標的影響

LED的熱阻也是表征LED熱性能的一個重要參數，如果LED設備的熱阻越小，說明系統的散熱性能較好，也表明LED的散熱通道越流暢，內部的散熱設計效果越好，這樣LED產生的熱量更容易散失出去，系統的散熱性能越好，當系統散熱效果好時，LED芯片結溫更容易變低，就能夠提升LED的壽命。一般地，LED的發熱中心主要是芯片的有源區，在設計的時候，如果將LED的芯片尺寸設計的相對面積比較大，而且還比較薄，這時，可以假定LED散熱是沿著芯片的截面方向垂直傳遞，對LED的熱阻進行分析，從PN結向外部熱沉，這樣LED的熱擴散方式就是向外進行擴散。在對LED的熱阻進行分析時，可以將熱阻分為內熱阻和外熱阻兩種形式，內熱阻是LED芯片固有的熱阻，屬于LED芯片的內在性質，它與制作LED芯片的材料，形狀及生產工藝等有關，它對LED芯片的散熱性能起著決定性的作用。外熱阻是LED芯片的外部殼體、外部熱沉的熱阻，是與LED外部材料直接相關的，外部熱阻的大小與外部殼體的封裝材料、形式及外部熱沉的導熱率具有直接的聯系，外部熱阻大，導致LED芯片的總體散熱率下降。

四、結束語

LED在現實生活中應用十分廣泛，為了提高LED的使用效率，需要對LED的散熱效果進行有效的設計，大功率LED陣列的工作壽命與LED的散熱性能有著直接的關系，一般情況下，LED在工作過程中，只有20%的電能轉換為光能，而其他只是轉化為熱能，可見LED在具體的工作過程中，會產生大量的熱能，這就需要在LED系統設計中，加強對LED的散熱性能進行設計，有效的控制LED的散熱方式，通過采用各種散熱技術方法來提升LED的散熱效果。在具體的設計中，需要根據LED的使用方法以及LED陣列功率的大小，采用不同的散熱技術與散熱效果較好的材料，在對PN結的結溫進行控制的同時，還要能夠有效的降低散熱器的熱阻，提高散熱器的散熱效果。

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