LED器件熱管理分析方法及其應用

王 偉， 鄒 軍， 張燦云， 石明明， 楊波波， 王立平， 劉祎明

(上海應用技術大學 a. 理學院； b. 材料科學與工程學院， 上海 201418)

發(fā)光二極管(light-emitting diodes, LEDs)是一種電致發(fā)光半導體器件，與傳統(tǒng)照明相比有著耗電量少、環(huán)保、顏色廣、壽命長等優(yōu)勢，是上世紀照明工業(yè)中最偉大的進步，被認為是“第四代照明光源”，已經(jīng)廣泛應用于日常生活中[1-3]。半導體晶體缺陷的存在，使得LED芯片光電轉換效率不高，很大部分的電能轉化為熱能[4]。如果熱量不能及時散發(fā)出去，會嚴重的影響LED的光學性能，包括光通量、發(fā)光效率、發(fā)光強度、光強分布、波長、壽命以及可靠性等。

大部分的LED失效原因都與熱量有關，有效散發(fā)LED芯片產生的熱量是此領域最重要的問題之一。對LED器件進行熱管理分析設計，是解決LED器件散熱的有效手段和必要措施[5]。目前，LED芯片熱量散發(fā)主要有3種路徑[6-8]：①向上傳遞路徑，熱量沿熒光粉、封裝硅膠、封裝透鏡散發(fā)至周圍環(huán)境中；②向下傳遞路徑，熱量經(jīng)過固晶層、支架、基板、熱界面材料、散熱器傳遞到周圍環(huán)境中；③水平傳遞路徑，熱量通過金線引線、框架傳導至周圍環(huán)境中。在向上傳遞路徑中，熱量途經(jīng)的熒光粉層是由熒光粉和硅膠混合組成，通常為聚合物或聚合復合材料，其熱導率低、熱阻大，很難有效地散發(fā)LED芯片熱量。而水平傳遞路徑還無法實現(xiàn)現(xiàn)實環(huán)境中的通過金線引線等的大量散熱。因此，目前LED芯片產生的大部分熱量都是通過向下傳遞路徑散熱。

針對上述問題，國內外專家通常通過建立LED熱阻網(wǎng)絡模型來研究，因其低成本和高精準，熱阻網(wǎng)絡模型系統(tǒng)被視為有效的預測結溫方法。本文主要介紹熱管理分析方法及其在LED中的應用，通過不同熱阻模型的建立來分析LED的熱行為，優(yōu)化結構、封裝工藝和材料，實現(xiàn)LED器件散熱效果的改善。

1 LED器件熱阻網(wǎng)絡系統(tǒng)及分析

通常情況下，LED器件的向下傳遞路徑散熱過程可以描述為這樣的一段過程：當LED器件通電時，LED芯片將大部分電能轉化為熱能。熱量由芯片傳遞到支架和基板，基板傳遞給散熱器，在散熱器中迅速擴散到翅片，翅片表面與空氣形成熱對流和輻射，利用主動散熱或被動散熱將熱量帶走。

圖1 LED燈具系統(tǒng)結構[8]Fig.1 LED lamp system structure[8]

以圖1所示的LED燈具系統(tǒng)結構為例，芯片通過固晶機器安裝在支架上，經(jīng)過涂覆工藝在芯片表面涂覆1層熒光粉凝膠，使用熱界面材料把支架、基板、散熱器焊接在一起，形成完整的LED燈具[8]。從LED燈具系統(tǒng)結構上可以分析出熱流傳遞通道為：芯片→支架→基板→熱界面材料→散熱器→環(huán)境。Christensen等[9]基于此類結構建立了相應熱阻模型分析各個環(huán)節(jié)熱阻在散熱系統(tǒng)中的作用。Luo等[10]提出一種工程方法預測用COB封裝的大功率LED的結溫，并對各個熱阻和總熱阻進行了詳細的分析和計算。Ha等[11]利用熱阻解析表達式來確定設計參數(shù)對系統(tǒng)熱阻的影響，參數(shù)包括材料特性、LED陣列的間隔、襯底厚度等。

熱阻網(wǎng)絡系統(tǒng)主要由以下4個環(huán)節(jié)構成：材料體積熱阻(R材)、熱界面材料熱阻(R界)、熱擴散熱阻(R擴)、元件到環(huán)境熱阻(R環(huán)境)。因此，從LED芯片到環(huán)境溫度的總熱阻模型可以表達為：

R總=R材+R界+R擴+R環(huán)境

(1)

式中：R材是由材料熱導率和尺寸決定，通過查閱手冊或者廠商提供數(shù)據(jù)一般很容易計算出來；R界由于其復雜的力學性能和熱性能很難估算，是熱阻網(wǎng)絡核心；R擴則取決于接觸體之間的幾何特性和邊界條件。

1.1 熱界面材料熱阻(R界)

由于接觸面粗糙程度、空隙等微觀因素存在，任意2個固體界面在實際工程中接觸時必然存在縫隙，使得R界變大，嚴重影響了傳熱性能。為了大幅度減小R界，一般引入熱界面材料(TIM)填充界面空隙，改善LED散熱問題[12]。圖2所示為“固-TIM-固”的熱阻模式，可以看出界面熱阻包括接觸熱阻1、接觸熱阻2和熱界面材料熱阻。

圖2 固-TIM-固熱阻模型[12]Fig.2 Solid-TIM-solid thermal resistance model[12]

熱界面熱阻可以寫為：

(2)

式中：H是界面厚度；K是熱界面材料熱導率。2006年，Prasher[13]對熱界面材料熱阻因素進行了詳細的綜述，熱界面熱阻大小取決于H、K和接觸熱阻。

1.1.1 接觸熱阻Rc

任何2個固體表面接觸都是屬于點與點或點與面之間的接觸，當熱量從一側固體端流經(jīng)另一側固體端，熱量在接觸點會發(fā)生收縮現(xiàn)象，在兩界面之間產生溫差。把固-TIM之間的接觸[14]劃分為多個點與點或點與面接觸，對于單個接觸點熱阻可以寫為：

(3)

式中：λs為接觸體的等效熱導率；as為圓形微接觸點的半徑；bs為熱導管半徑。為了能夠更好地估算接觸熱阻，Hamasaiid等[15]引入了CMY模型，即將復雜的表面形貌用高斯模型來代替，新表面和真實表面的對比圖以及固液表面引入的新參數(shù)如圖3所示。基于CMY模型，接觸熱阻表達式為：

Rc=

(4)

式中：Rsm為接觸點峰谷間隔；Y為液體與固體吸入空氣的高度；σ為表面粗糙度。通過力學分析，發(fā)現(xiàn)Y對Rc的影響最大。如圖3(c)所示，根據(jù)固-液接觸面幾何關系以及氣壓平衡態(tài)，可以得到與Y相關的計算公式：

(5)

(6)

式中：po是密閉氣體壓力；pb是外界壓力；γ1是液體表面自由能；θ是固-液接觸角；φ是斜槽與水平方向間的夾角。在該模型下，當壓力為0.1 MPa,模擬的數(shù)據(jù)與實驗測量數(shù)據(jù)吻合在14.3%。

1.1.2 熱界面材料熱導率(KTIM)

根據(jù)前文介紹，為了獲得良好的散熱效果，填充材料是具有高導熱率的聚合物材料，其固有特性與填充負載、幾何結構、溫度梯度方向以及界面特性有關。此前，大多數(shù)文章將熱界面材料視為同質復合材料，提出相關建模，如Maxwell-Garnett (MG)模型[16]、Bruggeman’s Symmetric (BSM)模型[17]、Bruggeman’s Asymmetric (BAM)模型[18]以及電阻網(wǎng)絡模型[19]。然而，隨著技術的發(fā)展，新型非球形填料如石墨烯納米片(GNPs)、氮化硼板(BN)、碳納米管(CNT)等在熱界面材料中的應用越來越多，熱界面材料已逐漸具有各向異性的非均質材料。如圖4所示，除了幾何形狀外，填料的各向異性熱性能是導致熱界面材料各向異性的另一原因[20]。例如高縱橫比GNPs面內導熱系數(shù)約為2 kW/(m·K)，而在貫通面導熱系數(shù)卻小于1 W/(m·K)。大量實驗結果表明，GNP-環(huán)氧樹脂水平方向的熱導率是垂直方向的5倍。因此，在建立模型時應考慮填料的幾何形狀對散熱的影響。

圖4 熱源到散熱器顆粒的分布[20]Fig.4 The distribution of heat source to radiator particles[20]

Lewis和Nielsen (LN)[20]考慮了顆粒形狀和排列方向對熱導率的影響，對Halpin-Tsai方程提出了改進，假設模型如下：

(7)

式中：λc是導熱復合材料的熱導率；λ1是基體樹脂的熱導率；λ2是導熱填料的熱導率；V是導填料在基體樹脂中的體積分數(shù)；A是與導熱填料的幾何形狀相關；B是λ相關常數(shù)；φ是關于粒子最大填充體積的相關函數(shù)。然而這個模型沒有考慮粒子高含量條件，不能在粒子高含量時準確的預測[20]。通過不斷改進和構想，研究人員提出Hatta和Taya(HT)模型[21]，該模型對以預測復合材料的導熱系數(shù)有一定的參考價值。HT模型公式如下：

K*=

(8)

式中：Km和Kp分別是基質和顆粒的熱導率；f是顆粒體積分數(shù)；si是與填充材料的形狀和方向有關的因素。

除此之外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，顆粒的分布也影響熱界面材料熱導率KTIM。Stauffer等[22]通過滲透理論闡述其顆粒分布對熱導率影響的原理，即由于高導熱顆粒從熱源到散熱器形成連續(xù)的鏈，熱界面材料導熱系數(shù)可能突然增大。綜上所述，熱界面材料熱導率的研究還有很大進步的空間，不僅要對顆粒的形狀、排列方向、顆粒的分布等進一步研究，還可以從顆粒濃度、壓力著手研究。

1.1.3 界面厚度H

因為界面厚度取決于熱界面材料的流變性質，Prasher等[23]依據(jù)經(jīng)驗提出了聚合物流變模型：

(9)

式中：C和M為常數(shù)，分別為1.31×10-4和0.166；τy是屈服應力；p是外加壓力。

計算屈服應力τy表達式如下：

(10)

式中，f、A和fm分別是顆粒體積分數(shù)、顆粒體積分數(shù)相關常數(shù)和顆粒體積分數(shù)的最大值。通過實驗也發(fā)現(xiàn)，τy取決于顆粒體積分數(shù)f。當f增大時τy增大，H也隨著增大，KTIM也會變大。因此，減少熱界面材料熱阻應考慮顆粒體積分數(shù)的因素。

1.2 熱擴散阻值Rs

眾所周知，LED芯片的尺寸是mm，LED芯片模塊的尺寸是cm。由于尺寸的差異，在傳導過程中形成了熱擴散熱阻Rs[24]。如圖5所示，當芯片和基板的面積相同時，熱擴散一般是均勻擴散；當芯片小于基板的面積時，熱擴散可能不均勻，存在集中熱源現(xiàn)象[25]。

隨著微電子系統(tǒng)和LED封裝變得越來越緊湊,如何減少熱擴散阻值Rs在熱管理中是非常重要的問題。在高熱流應用中，熱擴散阻值Rs占總熱阻的60%～70%。當Rs很大時，熱量不會均勻地分布在整個平板上，而是形成集中的熱源。調節(jié)熱擴散熱阻既方便又省錢的方法是增加熱源大小與散熱的比例，通常采用功率較低的LED組成陣列，以此減少熱擴散熱阻Rs。如圖6所示，LED陣列使溫度傳遞更均勻。

圖5 熱擴散結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of thermal diffusion structure

圖6 不同熱源條件下的溫度分布Fig.6 Temperature distributions under difference heat source

Yang等[26]通過模擬和實驗研究了芯片尺寸對熱擴散阻值的影響，結果發(fā)現(xiàn)芯片尺寸從15～40 mm，總熱阻值以指數(shù)方式下降；并且發(fā)現(xiàn)對于基體厚度和輸入功率相同的LED模塊，使用石墨復合材料代替鋁作為基體材料，可使擴展電阻降低近14%。Yang等[27]研究銅厚度對總熱阻的影響，發(fā)現(xiàn)隨著銅厚度的初始增大(達到0.6 mm)，銅基體的總熱阻隨著銅厚度的增大而減小，這是由于熱擴散熱阻Rs減小所致；之后熱擴散熱阻Rs隨著銅厚度的增加而輕微增加，這是由于銅基板的體積熱阻增大所致。當銅厚度為0.6 mm時，此時總熱阻達到最小值。之后Ha和Graham[11]采用解析法分析了熱擴散熱阻Rs與芯片間距的關系，并用有限元模擬的結果進行比較，得出間距是決定LED陣列熱阻的重要因素之一。雖然較大的節(jié)距可以獲得較低的熱阻，但節(jié)距通常是由光學性能等其他因素來確定的。為了有效地進行熱管理，也可以通過調整襯底類型、各層厚度等來盡量減少熱擴散熱阻Rs。

1.3 元件到環(huán)境熱阻(R環(huán)境)

LED芯片產生的熱量經(jīng)散熱裝置傳遞到環(huán)境中[28]，該過程中的熱阻稱為元件到環(huán)境熱阻，其大小主要取決于不同的散熱設計，不同器件結構之間差異很大。

2 LED燈具散熱設計

以LED燈具為代表的LED器件的主要應用是室內照明、汽車燈、路燈等。根據(jù)燈具熱量密度的不同，需要采用不同的散熱方式。基于熱阻網(wǎng)絡模型對燈具散熱器進行熱管理，有可能達到最優(yōu)的散熱結構。LED燈具通過熱對流和熱輻射將熱量傳遞到空氣中，解決方案大致分為2種：被動散熱和主動散熱，其主要區(qū)別在于是否需要外部電源。被動散熱是不需要外部電源，通過自然對流將熱量散發(fā)到環(huán)境中；主動散熱需要外部電源，通過強制對流將熱量散發(fā)到環(huán)境中。和主動散熱相比，被動散熱具有結構簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)勢，缺點是散熱效果不明顯，主要應用于小功率電子設備中。對于大功率設備一般采用主動散熱。

2.1 被動散熱

2.1.1 散熱器翅片設計和優(yōu)化

LED燈具熱量通過散熱器表面翅片自然對流散熱。根據(jù)牛頓冷卻公式[29]，對于面積A的接觸面，自然對流散熱的散熱量為：

Φ=AhΔt

(11)

式中：φ為散熱量，A為散熱面積，h為對流換熱系數(shù)，Δt為溫差。可見，散熱器是通過增加散熱面積A來強化散熱效果的器件。

在自然對流下影響翅片散熱流場效能的力[8]分為兩大類：自然對流流場驅動力和翅片陣列阻力。圖7所示為兩種不同的翅片排列形式示例，相關參數(shù)例如翅片間距、高度、結構、方位等都影響翅片的散熱能力。Charles等[30]構造了不同形狀的翅片，包括矩形、梯形、倒梯形等。實驗結果表明，倒梯形的傳熱系數(shù)比梯形和矩形分別高25%和10%。設計并優(yōu)化水平板翅片散熱器的翅片高度、翅片厚度和翅片間距，一般以散發(fā)最大熱量和使用最小材料為目標。

圖7 不同的翅片排列形式Fig.7 Different finned arrangements

2.1.2 散熱器材質和結構

常見的LED散熱器材質為鋼制、銅鋁復合、鋁合金、鑄鐵等類型，通過壓鑄、擠壓等工藝制造而成[31]。許多研究者通過改變工作工況改善散熱性能。Yang等[32]在翅片表面上焊接金屬泡沫或碳泡沫。通過實驗，他們發(fā)現(xiàn)金屬和碳泡沫均可以提高傳熱性能，同時散熱器的重量減少了33%。Yang等[33]還開發(fā)了在空心散熱器內部注入冷卻液體的方法，在LED路燈實例中取得良好的性能。Jae和Lee[34]闡述了使用鐵磁流體注入散熱器的方法，鐵磁流體具有液體和磁鐵雙重特性，其熱導率大于固體，而且在散熱器末端增加磁鐵后，鐵磁流體能夠在微通道里循環(huán)，散熱效果大大提高。Huang等[35]發(fā)明了導熱塑料散熱器，發(fā)現(xiàn)導熱塑料散熱器也可以滿足散熱要求，且塑料散熱器具有重量輕、運輸方便等優(yōu)點，然而塑料散熱器樹脂基體耐熱性差，在運用中有一定局限。

2.1.3 熱管技術

熱管由管殼、起毛細作用的吸收液以及傳遞熱能的工質構成[36]。熱管技術原理一般為工作液體在蒸發(fā)區(qū)吸收熱量變成氣體。氣體在熱管內部的整個空間內流動，再在凝結區(qū)凝結成液體。從工作原理看，熱管中沒有運動部件，能夠簡單快速轉移熱量，但單純依靠熱管結構將熱量散發(fā)到空氣不太現(xiàn)實，需要借助散熱翅片[37]。

目前，熱管技術在LED應用中有多種形式，例如將芯片與均溫板相結合，將散熱器與翅片焊接來實現(xiàn)高速傳熱和散熱，以及將回路熱管與翅片結合起來形成的高效散熱器件[8]。Lu等[38]對大功率LED采用氣室耦合散熱器，總熱阻為8.8 K/W,蒸汽室的熱擴散阻力可以低至0.38 K/W。Li等[39]制造了用于LED照明的銅水循環(huán)熱管，結果發(fā)現(xiàn)總熱阻在0.4～1.0 K/W之間。

2.2 主動散熱

散熱器通過翅片與空氣進行熱對流和熱輻射進行散熱過程是被動散熱，如果在此基礎上進一步利用外力如風扇、液冷等方式繼續(xù)加速散熱，即采用主動散熱的方法，可以實現(xiàn)比被動散熱高1到2個能量級的散熱效率。主動散熱可以分為兩種形式：風冷散熱和液冷散熱技術。

2.2.1 風冷散熱技術

風冷散熱技術有結構簡單、高效性、可靠性高、易于封裝處理等優(yōu)勢。風冷散熱技術一般是指將微型風扇與散熱器相結合[40]。散熱器被動冷卻是通過改變散熱器表面積、縱橫比、翅片間距等因素來改變散熱能力，使用風扇則是提高散熱器對流換熱系數(shù)。需要對風扇的性能參數(shù)進行優(yōu)化設計，如轉速、風量、風壓等[8]。

壓電風扇是一種微振動機械，用作氣流發(fā)生器來幫助散熱。Acikalin等[41]研究單壓電風扇冷卻大功率LED的優(yōu)化方案，分別對風扇的振幅、LED與風扇的距離、風扇長度進行設計，發(fā)現(xiàn)使用壓電風扇使得LED溫度下降36.4 ℃。Ma等[42]制備了一種微型多壓電磁性風扇(M-MPMF)，為LED照明的熱管理提供了一種創(chuàng)新的散熱解決方案，M-MPMF僅消耗0.3 W的電能，可以將溫度降低到45.2 ℃。

2.2.2 液冷散熱技術

液冷散熱技術是大功率LED設備中常用的散熱技術之一，利用液體在導水管中流動，達到散熱目的。液冷散熱技術包括兩種類型：微透道冷卻和微噴射冷卻。

微透道冷卻微通道散熱器具有比表面積大、傳熱系數(shù)大、質量體積小、冷卻劑庫存量小等特點。微透道冷卻技術第一次由Tuckerman等[43]提出，由微通道散熱器，微泵，儲熱器和帶風扇的小型換熱器組成。Zhang等[44]報道了用于冷卻大功率LED陣列的微通道散熱器，進行了理論分析和仿真驗證，結果表明該方法能達到最小熱阻19 mK/W。Yuan等[45]報道了一種帶有微通道冷卻器的LED封裝的詳細熱分析，優(yōu)化了內部鰭的的微通道、流速和總功率。Deng等[46]提出用液態(tài)金屬作為冷卻劑來冷卻大功率LED，如圖7所示，證明在相同負載下使用液態(tài)金屬作為冷卻劑，LED基板溫度比水低8 ℃。

圖8 液冷散熱原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of cooling principle of liquid

微噴射冷卻為大功率電子器件和大功率發(fā)光二極管的全表面熱流管理以及熱點提供了一種新的方法。與微通道冷卻系統(tǒng)相比，微射流冷卻系統(tǒng)由微射流陣列裝置、微泵和帶散熱片的微型流體容器組成。Luo等[47]進行了參數(shù)化分析，確定了微射流直徑、頂腔高度、流量和器件材質的影響，確定了優(yōu)化設計方案。在優(yōu)化設計的基礎上，研制了一種用于220 W的LED燈冷卻的微射流冷卻系統(tǒng)，室溫30.8 ℃時， 220 W的LED燈的芯片襯底溫度僅為69.4 ℃。

3 結 語

隨著LED蓬勃發(fā)展，散熱問題已成為LED行業(yè)發(fā)展的技術瓶頸。由于非輻射復合、電流過載等原因，使得LED芯片產生大量的熱，因而對LED器件進行熱管理分析是必要的。LED器件熱阻大體上由材料熱阻、熱界面熱阻、熱擴散熱阻、元件到環(huán)境熱阻組成。本文綜述了LED器件熱阻結構函數(shù)和散熱技術。材料熱阻主要與材料熱導率、形狀尺寸有關，需要根據(jù)設計要求選擇不同材料，實現(xiàn)低成本、散熱效果良好的器件。熱界面熱阻是關鍵技術之一，對于固-TIM-固模型，國內外學者對此提出的不同模型還不夠完善。同時材料顆粒的形狀、排列方向等因素也影響熱界面熱阻。熱擴散熱阻是由小尺寸的芯片將熱量傳遞給大尺寸的模具形成的阻值，科研人員從芯片的陣列分布、基板厚度進行優(yōu)化設計，減小熱擴散熱阻。將熱量傳遞到環(huán)境是LED散熱的最終目的，可以通過設計翅片縱橫比、采用高性能材料、將熱管與散熱器相結合、微透道等方法維持芯片的溫度在較低的水平。

LED由于晶體缺陷的存在，光電轉換效率不高，產生大量的熱。因此，在源頭上加大對LED芯片的研發(fā)，通過改進工藝提高芯片光提取效率、減少熱量的產生，可能是未來LED器件的一個發(fā)展方向。另外在散熱環(huán)節(jié)中，開發(fā)新型封裝材料，如碳納米材料、高導熱材料聚亞胺酯制備的納米纖維基底，有可能提高材料熱輻射性能，增加散熱效果，實現(xiàn)熱量的向上傳遞路徑。隨著LED集成化、輕便化和大功率的發(fā)展，現(xiàn)有的散熱技術還需進一步的改進來滿足應用需求。熱性能測試、熱模擬分析、高效率的傳熱強化技術等方法為LED的高效散熱提供了大量幫助。