- LED固態(tài)照明的熱問題及其影響
- 封裝基板到冷卻裝置
- LED熱的傳導(dǎo)和疏散
- 層結(jié)構(gòu)熱處理
LED固態(tài)照明是繼白熾燈發(fā)明以來最重要的照明革命。由于半導(dǎo)體材料將電能直接轉(zhuǎn)化為光，所以LED固態(tài)照明與傳統(tǒng)照明光源最大的不同在于它的光線不是由熱而發(fā)光，是真正意義上的綠色光源，具有壽命長、能耗低、發(fā)光效率高、穩(wěn)定性好、無頻閃、無紅外和紫外線輻射等優(yōu)點(diǎn)，并且發(fā)出的光色度純。
LED固態(tài)照明的研究領(lǐng)域包括七個(gè)方面：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)、壽命、量子效率、可靠性和可控性、降低成本。本文所介紹的主要著眼于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及多芯片封裝結(jié)構(gòu)的熱處理技術(shù)。
2、LED固態(tài)照明的熱問題及其影響
2.1LED散熱問題及其影響：
為了適應(yīng)通用照明的需要，固態(tài)照明光源迫切需要解決單個(gè)芯片散熱問題，以及多芯或多個(gè)LED燈管集成組成的散熱問題，其熱聚效應(yīng)及熱阻過大，直接導(dǎo)致LED結(jié)溫升高。據(jù)有關(guān)資料分析，大約70%的故障來自于LED的結(jié)溫過高，并且在負(fù)載為額定功率一半的情況下，溫度每升高20℃，故障率就上升1倍。
2.2LED熱的傳導(dǎo)和疏散：
LED固態(tài)照明光源需要解決如下幾個(gè)環(huán)節(jié)的散熱問題：芯片結(jié)到外延層；外延層到封裝基板；封裝基板到冷卻裝置。這三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成固態(tài)照明光源熱傳導(dǎo)的通道，熱傳導(dǎo)的通道上任何薄弱環(huán)節(jié)的失敗都會使LED光源毀于一旦。為了取得更好的導(dǎo)熱效果，在三個(gè)環(huán)節(jié)上都需要采用熱導(dǎo)系數(shù)高的材料。筆者重點(diǎn)論述熱阻設(shè)計(jì)的第三個(gè)環(huán)節(jié)，即封裝基板到冷卻裝置。
3封裝基板到冷卻裝置
3.1大功率LED固體照明開發(fā)現(xiàn)狀：
單芯片W級功率LED現(xiàn)已達(dá)到1W、3W和5W。然而上大功率LED的發(fā)熱量卻比小功率LED高數(shù)十倍，而且溫升還會使發(fā)光效率大幅降低，即使封裝技術(shù)允許，熱量低于LED芯片的接合溫度卻有可能超過容許值。因此低功率多芯片式多個(gè)LED組合成LED固體照明光源，在實(shí)際使用中更為普及，在散熱問題上的處理相對較容易，例如松下公司推出的64只芯片組封裝的大功率LED，日亞公司推出的多芯片組合的LED固體照明光源，其光通量可達(dá)600Lm。當(dāng)輸出光通量為1000Lm時(shí)，耗電量為30W，最大輸入功率為50W，發(fā)光效率達(dá)33Lm/W。
傳統(tǒng)的LED燈封裝結(jié)構(gòu)，一般用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲線完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成，其熱阻高達(dá)250℃~300℃。對于功率型LED芯片，可采用低阻率、高導(dǎo)熱性的材料粘結(jié)芯片，在芯片下部加銅或鋁等金屬熱沉，并采用半封裝結(jié)構(gòu)，加速散熱降低熱阻。
3.2疊層結(jié)構(gòu)LED固體照明設(shè)計(jì)：
封裝基板散熱設(shè)計(jì)，首先要通過提高材料熱導(dǎo)系數(shù)，降低熱膨脹系數(shù)不匹配度來增強(qiáng)LED熱處理性。其次要考慮散熱通道及散熱板的熱容量，散熱通道暢通、散熱好、散熱板熱容量大、熱傳導(dǎo)性能好、熱阻小，LED結(jié)升溫就慢，對LED發(fā)光性能就有很好的保障，也就能實(shí)現(xiàn)多個(gè)LED集群式封裝。
雙面線路板兩端焊接有金屬散熱板，LED芯片直接焊裝在散熱金屬板上，再通過金絲焊線，連接另一端的金屬散熱板。金屬散熱板既是LED封裝基板，也是連接外部的冷卻裝置，LED供電通過雙面線路板傳至兩端金屬散熱板。
把該種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)，就可實(shí)現(xiàn)多個(gè)或集群式LED封裝，從而達(dá)到W級LED固態(tài)照明目的。該種設(shè)計(jì)也可將封裝好的貼片發(fā)光二極管兩極焊接在兩端散熱板上。
散熱板為一環(huán)狀金屬散熱筒，中間為一個(gè)環(huán)形的雙層線板，LED芯片直接焊裝在環(huán)狀金屬散熱筒上，其熱傳導(dǎo)功能與圖1原理一樣，通過串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)集群式LED環(huán)狀360發(fā)光面。
前兩者與傳統(tǒng)的固態(tài)照明光源的散熱通道相比，減少了散熱環(huán)節(jié)。由于芯片直接焊裝在金屬基板上，散熱效率更高，芯片到金屬散熱板減少了封裝基板環(huán)節(jié)，同時(shí)根據(jù)LED芯片的功率，可加大或縮小散熱板的寬度和厚度，使熱參數(shù)匹配。
3.3疊層結(jié)構(gòu)熱處理設(shè)計(jì)：
LED發(fā)光芯片內(nèi)部的熱處理設(shè)計(jì)固然非常重要，但集群LED固態(tài)照明散熱裝置也極為重要。以下是散熱設(shè)計(jì)的基本公式：Tr散熱器=（125℃-安全溫度閥值-環(huán)境溫度）/功率-Tr發(fā)光LED-Tr界面；式中：125℃—結(jié)溫的典型值；
安全溫度閥值—一般來說取10℃；Tr發(fā)光LED—LED封裝結(jié)構(gòu)自身的熱阻；Tr界面—LED封裝結(jié)構(gòu)與散熱器之間的界面熱阻。由基本公式得知，疊層結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)LED照明設(shè)計(jì)，Ｔr界面熱阻值小，Ｔr值就越大，Ｔr散熱器就越小。同時(shí)Tr散熱器根據(jù)散熱板尺寸的大小，設(shè)計(jì)有較大的余量。另外，降低界面熱阻也需要增加界面的平整度，使用導(dǎo)熱性能更高的填充材料及較好的封裝工藝。
疊層結(jié)構(gòu)技術(shù)（DCJS-S）出色的熱導(dǎo)性能在一定程度上解決了大功率LED固態(tài)照明的“瓶頸”——過高的結(jié)溫所引發(fā)的一系列問題，使得實(shí)用級的LED固態(tài)照明光源成為可能。
