浅谈LED照明散热方案

　　摘　要:本文通过LED封装结构的散热方案以及LED封装材料的散热方法等细节,着重对LED的散热结构进行探讨,LED散热研究的关键要从散热结构的优化设计。

　　关键词: LED照明;散热;芯片

　　Abstract: This article through the LED package structure of the cooling scheme and LED packaging material heat method etc., focusing on the LED radiating structure were discussed, LED radiating research key from the radiating structure optimization design.

　　Key words: LED lighting; heat radiation; chip

　　中图分类号：J814.4 文献标识码：A 文章编号：

　　引　言

　　一般说来，依照从散热器带走热量的方式，可以将散热器分为主动式散热和被动式散热。所谓的被动式散热，是指通过散热片将热源LED光源热量自然散发到空气中，其散热的效果与散热片大小成正比，但因为是自然散发热量，效果当然大打折扣，常常用在那些对空间没有要求的设备中，或者用于为发热量不大的部件散热，如部分普及型主板在北桥上也采取被动式散热，绝大多数采取主动式散热式，主动式散热就是通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走，其特点是散热效率高，而且设备体积小。为了解决LED散热问题,国内外的专家和学者主要从改进LED的封装和散热结构,选取合适的LED散热封装材料等方面来进行研究。

　　1　LED封装结构的散热方案

　　1.1　硅基倒装芯片

　　芯片倒装技术比传统的LED芯片封装技术有更多的有效出光,但如果不在芯片发光层电极下方增加反射层来反射出浪费的光能,则会造成约8%的光损失,所以底板材料上必须增加反射层,经过这些改善,可以提高大功率LED器件的光通量。因为大功率倒装结构LED的P电极要求电流扩展均匀,接触电阻小,反射率高,热稳定性好,所以多选用高反射率金属或透明电极和高反射金属复合体系2种方案来实现倒装焊。

　　倒装焊芯片面临的问题是:受硅片机械强度与导热性能限制,硅片无法减少厚度,也无法进一步降低内部热沉的热阻,制约了其传热性能的提高。另外,倒装焊结构在降低LED芯片热阻、提高器件散热性能等方面。

　　1.2　金属线路板

　　金属线路板结构利用铝等金属具有极佳的热传导性质,将芯片封装到覆有几mm厚的铜电极的PCB板上,或者将芯片封装在金属夹芯的PCB板上,然后再封装到散热片上来解决LED因功率增大所带来的散热问题。

　　目前应用于大功率LED作散热的PCB有3种:普通双面敷铜板(FR4)、铝合金基敷铜板(MCPCB)、PCB用胶粘在铝合金板上的柔性薄膜PCB。虽然采用该结构可以获得良好的散热特性,并大大提高LED的输入功率,但夹层中的PCB板是热的不良导体,阻碍了热量的传导,因此选择合适的PCB夹层材料是研究的重点之一。

　　1.3　LED芯片

　　LED芯片有横向和垂直2种基本结构。横向结构的LED芯片是指芯片2个电极在外延层的同侧;相反,垂直结构的LED芯片的2个电极分布在外延层的两侧。横向结构LED芯片的电极在同一侧,电流在N和P类型限制层中横向流动,不利于电流的扩散以及热量的散发。与横向结构相比,垂直结构的LED芯片具有抗静电能力高,生产成本低,无需打金线等明显优势。

　　1.4　金属引线框架技术

　　引线框架通常都是采用合金制成,热量通过引线框架传导到安装基板上。王明英等人采用异形铜条和高温传导型铜合金引线框架的方法,提高引线框架的厚度,使热量在横向上能有效充分地传导。

　　2　LED封装材料的散热方法

　　2.1　散热基板材料

　　现阶段LED系统的散热瓶颈,多数发生在将热量从LED芯片传导至其基板再到系统电路板的过程中,因此散热基板材料的选择至关重要。LED的散热基板分为2类:一种是系统电路板,主要包括硬式印刷电路板、软式印刷电路板、高导热系数铝基板和DCB板;另外一种是LED晶粒基板,主要包括陶瓷基板和薄膜陶瓷基板。

　　现在的陶瓷基板，LED不断往更高功率的需求发展，现阶段陶瓷基板之金属线路多以厚膜技术成型，然而厚膜印刷的对位精准度使得其无法跟上LED封装技术之进步，其主要因素为在更高功率LED元件的散热设计中，使用了共晶以及覆晶两种封装技术，这些技术的导入不但可以使用高发光效率的LED芯片，更可以大幅降低其热阻值并且让接合度更加完善，让整体运作的功率都相对的提昇。但是这两种接合方式的应用都需要拥有精确金属线路设计的基础，因此以曝光微影为对位方式的薄膜型陶瓷散热基板就变成为精准线路设计主流。

　　2.2　芯片粘结材料

　　导热胶的导热效果一般,导热型银浆的导热性能和粘贴强度都很好,但是银浆在亮度提升的时候会发热,并且含有有毒金属,所以不宜采用。导电锡浆也含有铅、六价铬等重金属,所以不是粘贴材料的最佳选择。金锡合金焊料的热导特性较好,导电性也比较好,具有很大的发展前景。

　　过去用来作为封装材料的环氧树脂，耐热性比较差，可能会出现在LED芯片本身的寿命到达前，环氧树脂就已经出现变色的情况，因此，为了提高散热性，必须让更多的电流获得释放。除此之外，不仅因为热现象会对环氧树脂产生影响，甚至短波长也会对环氧树脂造成一些问题，这是因为环氧树脂相当容易被白光LED中的短波长光线破坏，即使低功率的白光LED就已经会造成环氧树脂的破坏，更何况高功率的白光LED所含的短波长的光线更多，恶化自然也加速，甚至有些产品在连续点亮后的使用寿命不到5,000小时。所以，与其不断的克服因为旧有封装材料-环氧树脂所带来的变色困扰，不如朝向开发新一代的封装材料的选择。目前在解决寿命这一方面的问题，许多LED封装业者都朝向放弃环氧树脂，而改用了硅树脂和陶瓷等作为封装的材料。根据统计，因为改变了封装材料，事实上可以提高LED的寿命。就资料上来看，代替环氧树脂的封装材料-硅树脂，就具有较高的耐热性，根据试验，即使是在摄氏150～180度的高温，也不会变色的现象，看起来似乎是一个不错的封装材料。硅树脂能够分散蓝色和近紫外光，与环氧树脂相比，硅树脂可以抑制材料因为电流和短波长光线所带来的劣化现象，缓和光穿透率下降的速度。以目前的应用来看，几乎所有的高功率白光LED产品都已经改用硅树脂作为封装的材料，例如，相对于波长 400～450nm的光，环氧树脂约在个位的数百分比左右，但硅树脂对400～450nm的光线吸收却不到百分之一，这样的落差，使得在抗短波长方面，硅树脂有着较出色的表现

　　2.3　芯片常用衬底材料

　　蓝宝石：导热性能不是很好(在100℃约为25W/(m·K))。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量;特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。

　　硅衬底：目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触(Laterial-cONtact ,水平接触)和 V接触(Vertical-contact，垂直接触)，以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。

　　碳化硅衬底：导热性能(碳化硅的导热系数为490W/(m·K))要比蓝宝石衬底高出10倍以上。蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热性能也很差。使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出。

　　3、结术语

　　以上我们已将LED散热基板在两种不同工艺上做出差异分析，散热效能儼然成为最重要的议题。影响LED散热的主要因素包含了LED芯片、芯片载板、芯片封装及模组的材质与设计，而LED及其封装的材料所累积的热能多半都是以传导方式散出，所以LED芯片基板及LED芯片封装的设计及材质就成为了主要的关键。

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文章名称： 浅谈LED照明散热方案

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