LED散熱問題的一些解決方案

趙鑫洋

【摘 要】 如今全世界都在朝著節能環保方向發展，尤其是要減少二氧化碳的排放量。因LED體積小，壽命長，省電污染底，反應速度快逐步取代了耗能較高的白熾燈的位置，但高功率LED的散熱問題一直是急需解決的問題。本文將從改善材料，改進LED封裝技術等方面來闡述解決LED散熱問題的一些方法。

【關鍵詞】 LED 熱阻 散熱 發光效率 封裝技術

LED又稱作發光二極體，是一種固態的半導體器件。由PN結芯片，電極和光學系統組成，在電極端加上正向偏壓，使電子和空穴分別注入P區和N區，當平衡少數載流子與多數載流子復合時，就會以輻射光子的形式將多余的熱量轉化為光能。目前LED正在逐步取代白熾燈的位置，受到上游芯片價格下降以及LED照明器具發光效率的提升，人們越來越重視LED在照明領域的發展，而且LED行業自身也呈現出極為良好的發展態勢。如目前應用的風光互補功率智能化路燈，在同功率下，LED路燈更亮，如果散熱效果做得好，壽命將也有保證。還有LED在城市亮化工程與夜景工程中的應用，與霓虹燈相比具有更加省電耐用的優點。但一些高功率的LED不能很好地散熱，壽命將縮短。功率LED是指工作電流在100mA以上的發光二極管。是我國行標參照美國ASSIST聯盟定義的，按現有二種LED的正向電壓典型值2.1V及3.3V，即輸入功率在210mw及330mw以上的LED均為功率LED，都需要考慮器件熱散問題，有些人可能有不同看法，但實踐證明，要提高功率LED的可靠性（壽命），就要考慮功率LED的散熱問題。

LED發光時，PN結產生一定的熱量，這些熱量要通過對流和熱傳導散射出去，從而降低PN結溫度，這樣對LED光衰和使用壽命都有好處，可同時提高光輸出并延長壽命，LED光輸出與PN結溫度關系圖如圖1。

可見當溫度超過25攝氏度時，發光效率會直線下降。過高溫度同時會損害LED的一些特性，且是不可恢復的。其中LED芯片的結溫Tj=Ta+PRja，其中Ta為環境溫度，P為LED功率，Rja為熱阻。（當LED點亮后達到穩定時，芯片表面每消耗1W的功率，芯片PN結點的溫度與連接支架或鋁基板的溫度之間溫差稱為熱阻，其中數值越低，表示芯片中的熱量傳到支架或鋁基板上越快，有利于降低芯片中PN結溫度，延長LED壽命。）

1 改善LED導熱材料

熱設計的關鍵時LED芯片的結溫Tj，LED芯片的散熱途徑主要有傳導，對流，發散，其中傳到和對流比較重要，從熱能分析，發散功率P=VI，當LED效率達到標準時，V和I相對變化比較小，所以散熱主要從傳到方面考慮，使熱量預先從LED發散器導出。首先考慮的是選擇熱傳導系數較大的材料。下面給出一些材料的導熱系數，碳銅36.7～39.2黃銅109鋁合金162金315銀427錫427鋅121純銅398純鋁236純鐵81.1（w/m·k）。可以采用高導熱性材料與LED晶片貼合方法與貼合技術，這種方式有可沿用傳統封裝技術特點。由于Si的熱導率是GaAs的3倍，表面平坦且價格優廉，貼合時的熱處理變質量較低，貼合設備簡單，成本低。Si基板與晶片貼合條件基于基于兩材料熱膨脹系數差異，Au長膜溫度設定為300攝氏度以下，Au膜層堆積于兩材料表面后再將金屬面貼合成一體，由于Au的熱傳導率較高，同時又可將LED的熱能擴散至Si基板，因此貼合時Au膜層不會發生龜裂現象晶圓制程也無彎曲問題，對發光層而言更不會造成任何傷害。雖然Cu的熱傳導率比Au高，但Cu在氫環境下進行熱處理時會變質，在相同尺寸的晶圓能獲得的晶片數量相對比較少。大功率LED晶片表面有四維膜層，除此之外結構上與Si晶片完全相同，因此可直接沿用改裝的Si晶片封裝設備。傳統的炮彈形LED熱阻為300K/W，使用Si晶片封裝設備封裝的大功率LED只有10K/W左右，這意味著電流密度可提高四倍。

2 改進LED封裝技術

一般而言，LED晶粒（Die）以打金線、共晶或覆晶方式連結于其基板上（Substrate of LED Die）而形成一個LED晶片（chip），而后再將LED晶片固定于系統的電路板上（System circuit board）。因此，LED可能的散熱途徑為直接從空氣中散熱，或經由LED晶粒基板至系統電路板再到大氣環境。而散熱由系統電路板至大氣環境的速率取決于整個發光燈具或系統的設計。B.Fan等人發現熒光粉對溫度敏感，高溫減少其可靠性，于是建議用一層熱絕緣體放在LED與包裝層之間，實驗證明加了隔熱層光流量增加了，CCT溫度也不太受電流的影響。另外在LED的熱沉上，加裝一定面積的散熱片。在LED功率器件與散熱片的接面先涂上一層導熱膠，然后設法把散熱片與大功率LED固定好，而且安裝時盡量考慮讓它能接觸到流動的空氣，這樣可以較快的把熱量帶走。另外還可以采用導入微控制器 采SMD形式制作的NTCTHERMISTOR組件這是NTC電的改善形式，若想達到更佳的設計，搭配MCU進行更精密的安全設計也是一種相對務實的作法，在開發項目中，可將LED光源模塊的狀態區分為燈光是否正常、燈光是否被關閉，搭配溫度警示與溫度量測的程序邏輯判斷，建構更為完善的智慧燈具管理機制。例如，若出現燈具溫度警示，經溫度量測得知模塊溫度仍在可接受范圍，可維持正常途徑，透過散熱片自然散逸運行溫度；而當警示告知所測得溫度已達需執行主動散熱機制的基準，此時MCU必須控制散熱風扇作動，進行散熱處理。

3 結語

本文首先介紹了散熱對LED的發光效率以及LED壽命的影響，并采用了圖表直觀表示。之后通過對材料的改變與封裝技術的改進這兩方面論述了解決LED散熱問題的一些方案。

參考文獻：

[1]周志敏.LED照明技術與工程應用.中國電力出版社，2009.

[2]陳元燈.LED技術制造與應用（第二版）.電子工業出版社，2009.endprint

【摘 要】 如今全世界都在朝著節能環保方向發展，尤其是要減少二氧化碳的排放量。因LED體積小，壽命長，省電污染底，反應速度快逐步取代了耗能較高的白熾燈的位置，但高功率LED的散熱問題一直是急需解決的問題。本文將從改善材料，改進LED封裝技術等方面來闡述解決LED散熱問題的一些方法。

【關鍵詞】 LED 熱阻 散熱 發光效率 封裝技術

LED又稱作發光二極體，是一種固態的半導體器件。由PN結芯片，電極和光學系統組成，在電極端加上正向偏壓，使電子和空穴分別注入P區和N區，當平衡少數載流子與多數載流子復合時，就會以輻射光子的形式將多余的熱量轉化為光能。目前LED正在逐步取代白熾燈的位置，受到上游芯片價格下降以及LED照明器具發光效率的提升，人們越來越重視LED在照明領域的發展，而且LED行業自身也呈現出極為良好的發展態勢。如目前應用的風光互補功率智能化路燈，在同功率下，LED路燈更亮，如果散熱效果做得好，壽命將也有保證。還有LED在城市亮化工程與夜景工程中的應用，與霓虹燈相比具有更加省電耐用的優點。但一些高功率的LED不能很好地散熱，壽命將縮短。功率LED是指工作電流在100mA以上的發光二極管。是我國行標參照美國ASSIST聯盟定義的，按現有二種LED的正向電壓典型值2.1V及3.3V，即輸入功率在210mw及330mw以上的LED均為功率LED，都需要考慮器件熱散問題，有些人可能有不同看法，但實踐證明，要提高功率LED的可靠性（壽命），就要考慮功率LED的散熱問題。

LED發光時，PN結產生一定的熱量，這些熱量要通過對流和熱傳導散射出去，從而降低PN結溫度，這樣對LED光衰和使用壽命都有好處，可同時提高光輸出并延長壽命，LED光輸出與PN結溫度關系圖如圖1。

可見當溫度超過25攝氏度時，發光效率會直線下降。過高溫度同時會損害LED的一些特性，且是不可恢復的。其中LED芯片的結溫Tj=Ta+PRja，其中Ta為環境溫度，P為LED功率，Rja為熱阻。（當LED點亮后達到穩定時，芯片表面每消耗1W的功率，芯片PN結點的溫度與連接支架或鋁基板的溫度之間溫差稱為熱阻，其中數值越低，表示芯片中的熱量傳到支架或鋁基板上越快，有利于降低芯片中PN結溫度，延長LED壽命。）

1 改善LED導熱材料

熱設計的關鍵時LED芯片的結溫Tj，LED芯片的散熱途徑主要有傳導，對流，發散，其中傳到和對流比較重要，從熱能分析，發散功率P=VI，當LED效率達到標準時，V和I相對變化比較小，所以散熱主要從傳到方面考慮，使熱量預先從LED發散器導出。首先考慮的是選擇熱傳導系數較大的材料。下面給出一些材料的導熱系數，碳銅36.7～39.2黃銅109鋁合金162金315銀427錫427鋅121純銅398純鋁236純鐵81.1（w/m·k）。可以采用高導熱性材料與LED晶片貼合方法與貼合技術，這種方式有可沿用傳統封裝技術特點。由于Si的熱導率是GaAs的3倍，表面平坦且價格優廉，貼合時的熱處理變質量較低，貼合設備簡單，成本低。Si基板與晶片貼合條件基于基于兩材料熱膨脹系數差異，Au長膜溫度設定為300攝氏度以下，Au膜層堆積于兩材料表面后再將金屬面貼合成一體，由于Au的熱傳導率較高，同時又可將LED的熱能擴散至Si基板，因此貼合時Au膜層不會發生龜裂現象晶圓制程也無彎曲問題，對發光層而言更不會造成任何傷害。雖然Cu的熱傳導率比Au高，但Cu在氫環境下進行熱處理時會變質，在相同尺寸的晶圓能獲得的晶片數量相對比較少。大功率LED晶片表面有四維膜層，除此之外結構上與Si晶片完全相同，因此可直接沿用改裝的Si晶片封裝設備。傳統的炮彈形LED熱阻為300K/W，使用Si晶片封裝設備封裝的大功率LED只有10K/W左右，這意味著電流密度可提高四倍。

2 改進LED封裝技術

一般而言，LED晶粒（Die）以打金線、共晶或覆晶方式連結于其基板上（Substrate of LED Die）而形成一個LED晶片（chip），而后再將LED晶片固定于系統的電路板上（System circuit board）。因此，LED可能的散熱途徑為直接從空氣中散熱，或經由LED晶粒基板至系統電路板再到大氣環境。而散熱由系統電路板至大氣環境的速率取決于整個發光燈具或系統的設計。B.Fan等人發現熒光粉對溫度敏感，高溫減少其可靠性，于是建議用一層熱絕緣體放在LED與包裝層之間，實驗證明加了隔熱層光流量增加了，CCT溫度也不太受電流的影響。另外在LED的熱沉上，加裝一定面積的散熱片。在LED功率器件與散熱片的接面先涂上一層導熱膠，然后設法把散熱片與大功率LED固定好，而且安裝時盡量考慮讓它能接觸到流動的空氣，這樣可以較快的把熱量帶走。另外還可以采用導入微控制器 采SMD形式制作的NTCTHERMISTOR組件這是NTC電的改善形式，若想達到更佳的設計，搭配MCU進行更精密的安全設計也是一種相對務實的作法，在開發項目中，可將LED光源模塊的狀態區分為燈光是否正常、燈光是否被關閉，搭配溫度警示與溫度量測的程序邏輯判斷，建構更為完善的智慧燈具管理機制。例如，若出現燈具溫度警示，經溫度量測得知模塊溫度仍在可接受范圍，可維持正常途徑，透過散熱片自然散逸運行溫度；而當警示告知所測得溫度已達需執行主動散熱機制的基準，此時MCU必須控制散熱風扇作動，進行散熱處理。

3 結語

本文首先介紹了散熱對LED的發光效率以及LED壽命的影響，并采用了圖表直觀表示。之后通過對材料的改變與封裝技術的改進這兩方面論述了解決LED散熱問題的一些方案。

參考文獻：

[1]周志敏.LED照明技術與工程應用.中國電力出版社，2009.

[2]陳元燈.LED技術制造與應用（第二版）.電子工業出版社，2009.endprint

【摘 要】 如今全世界都在朝著節能環保方向發展，尤其是要減少二氧化碳的排放量。因LED體積小，壽命長，省電污染底，反應速度快逐步取代了耗能較高的白熾燈的位置，但高功率LED的散熱問題一直是急需解決的問題。本文將從改善材料，改進LED封裝技術等方面來闡述解決LED散熱問題的一些方法。

【關鍵詞】 LED 熱阻 散熱 發光效率 封裝技術

LED又稱作發光二極體，是一種固態的半導體器件。由PN結芯片，電極和光學系統組成，在電極端加上正向偏壓，使電子和空穴分別注入P區和N區，當平衡少數載流子與多數載流子復合時，就會以輻射光子的形式將多余的熱量轉化為光能。目前LED正在逐步取代白熾燈的位置，受到上游芯片價格下降以及LED照明器具發光效率的提升，人們越來越重視LED在照明領域的發展，而且LED行業自身也呈現出極為良好的發展態勢。如目前應用的風光互補功率智能化路燈，在同功率下，LED路燈更亮，如果散熱效果做得好，壽命將也有保證。還有LED在城市亮化工程與夜景工程中的應用，與霓虹燈相比具有更加省電耐用的優點。但一些高功率的LED不能很好地散熱，壽命將縮短。功率LED是指工作電流在100mA以上的發光二極管。是我國行標參照美國ASSIST聯盟定義的，按現有二種LED的正向電壓典型值2.1V及3.3V，即輸入功率在210mw及330mw以上的LED均為功率LED，都需要考慮器件熱散問題，有些人可能有不同看法，但實踐證明，要提高功率LED的可靠性（壽命），就要考慮功率LED的散熱問題。

LED發光時，PN結產生一定的熱量，這些熱量要通過對流和熱傳導散射出去，從而降低PN結溫度，這樣對LED光衰和使用壽命都有好處，可同時提高光輸出并延長壽命，LED光輸出與PN結溫度關系圖如圖1。

可見當溫度超過25攝氏度時，發光效率會直線下降。過高溫度同時會損害LED的一些特性，且是不可恢復的。其中LED芯片的結溫Tj=Ta+PRja，其中Ta為環境溫度，P為LED功率，Rja為熱阻。（當LED點亮后達到穩定時，芯片表面每消耗1W的功率，芯片PN結點的溫度與連接支架或鋁基板的溫度之間溫差稱為熱阻，其中數值越低，表示芯片中的熱量傳到支架或鋁基板上越快，有利于降低芯片中PN結溫度，延長LED壽命。）

1 改善LED導熱材料

熱設計的關鍵時LED芯片的結溫Tj，LED芯片的散熱途徑主要有傳導，對流，發散，其中傳到和對流比較重要，從熱能分析，發散功率P=VI，當LED效率達到標準時，V和I相對變化比較小，所以散熱主要從傳到方面考慮，使熱量預先從LED發散器導出。首先考慮的是選擇熱傳導系數較大的材料。下面給出一些材料的導熱系數，碳銅36.7～39.2黃銅109鋁合金162金315銀427錫427鋅121純銅398純鋁236純鐵81.1（w/m·k）。可以采用高導熱性材料與LED晶片貼合方法與貼合技術，這種方式有可沿用傳統封裝技術特點。由于Si的熱導率是GaAs的3倍，表面平坦且價格優廉，貼合時的熱處理變質量較低，貼合設備簡單，成本低。Si基板與晶片貼合條件基于基于兩材料熱膨脹系數差異，Au長膜溫度設定為300攝氏度以下，Au膜層堆積于兩材料表面后再將金屬面貼合成一體，由于Au的熱傳導率較高，同時又可將LED的熱能擴散至Si基板，因此貼合時Au膜層不會發生龜裂現象晶圓制程也無彎曲問題，對發光層而言更不會造成任何傷害。雖然Cu的熱傳導率比Au高，但Cu在氫環境下進行熱處理時會變質，在相同尺寸的晶圓能獲得的晶片數量相對比較少。大功率LED晶片表面有四維膜層，除此之外結構上與Si晶片完全相同，因此可直接沿用改裝的Si晶片封裝設備。傳統的炮彈形LED熱阻為300K/W，使用Si晶片封裝設備封裝的大功率LED只有10K/W左右，這意味著電流密度可提高四倍。

2 改進LED封裝技術

一般而言，LED晶粒（Die）以打金線、共晶或覆晶方式連結于其基板上（Substrate of LED Die）而形成一個LED晶片（chip），而后再將LED晶片固定于系統的電路板上（System circuit board）。因此，LED可能的散熱途徑為直接從空氣中散熱，或經由LED晶粒基板至系統電路板再到大氣環境。而散熱由系統電路板至大氣環境的速率取決于整個發光燈具或系統的設計。B.Fan等人發現熒光粉對溫度敏感，高溫減少其可靠性，于是建議用一層熱絕緣體放在LED與包裝層之間，實驗證明加了隔熱層光流量增加了，CCT溫度也不太受電流的影響。另外在LED的熱沉上，加裝一定面積的散熱片。在LED功率器件與散熱片的接面先涂上一層導熱膠，然后設法把散熱片與大功率LED固定好，而且安裝時盡量考慮讓它能接觸到流動的空氣，這樣可以較快的把熱量帶走。另外還可以采用導入微控制器 采SMD形式制作的NTCTHERMISTOR組件這是NTC電的改善形式，若想達到更佳的設計，搭配MCU進行更精密的安全設計也是一種相對務實的作法，在開發項目中，可將LED光源模塊的狀態區分為燈光是否正常、燈光是否被關閉，搭配溫度警示與溫度量測的程序邏輯判斷，建構更為完善的智慧燈具管理機制。例如，若出現燈具溫度警示，經溫度量測得知模塊溫度仍在可接受范圍，可維持正常途徑，透過散熱片自然散逸運行溫度；而當警示告知所測得溫度已達需執行主動散熱機制的基準，此時MCU必須控制散熱風扇作動，進行散熱處理。

3 結語

本文首先介紹了散熱對LED的發光效率以及LED壽命的影響，并采用了圖表直觀表示。之后通過對材料的改變與封裝技術的改進這兩方面論述了解決LED散熱問題的一些方案。

參考文獻：

[1]周志敏.LED照明技術與工程應用.中國電力出版社，2009.

[2]陳元燈.LED技術制造與應用（第二版）.電子工業出版社，2009.endprint