LED散热(芯片、散热基板、散热器)

1LED散熱(芯片、散熱基板、散熱器)LED的散熱現在越來越為人們所重視，這是因為LED的光衰或其壽命是直接和其結溫有關，散熱不好結溫就高，壽命就短，依照阿雷紐斯法則溫度每降低10℃壽命會延長2倍。從Cree公司發佈的光衰和結溫的關係圖（圖1）中可以看出，結溫假如能夠控制在65°C，那麼其光衰至70％的壽命可以高達10萬小時！這是人們夢寐以求的壽命，可是真的可以實現嗎？是的，只要能夠認真地處理它的散熱問題就有可能做到！遺憾的是，現在實際的LED燈的散熱和這個要求相去甚遠！以致LED燈具的壽命變成了一個影響其性能的主要問題，所以必須要認真對待！圖1.光衰和結溫的關係而且，結溫不但影響長時間壽命，也還直接影響短時間的發光效率，例如Cree公司的XLamp7090XR-E的發光量和結溫的關係如圖2所示。2假如以結溫為25度時的發光為100%，那麼結溫上升至60度時，其發光量就只有90%；結溫為100度時就下降到80%；140度就只有70%。可見改善散熱，控制結溫是十分重要的事。除此以外LED的發熱還會使得其光譜移動；色溫升高；正向電流增大（恒壓供電時）；反向電流也增大；熱應力增高；螢光粉環氧樹脂老化加速等等種種問題，所以說，LED的散熱是LED燈具的設計中最為重要的一個問題。第一部分LED晶片的散熱一.結溫是怎麼產生的LED發熱的原因是因為所加入的電能並沒有全部轉化為光能，而是一部分轉化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W，其電光轉換效率大約只有20~30%左右。也就是說大約70%的電能都變成了熱能。具體來說，LED結溫的產生是由於兩個因素所引起的。1．內部量子效率不高，也就是在電子和空穴複合時，並不能100％都產生光子，通常稱為由“電流洩漏”而使PN區載流子的複合率降低。洩漏電流乘以電壓就是這部分的功率，也就是轉化為熱能，但這部分不占主要成分，因為現在內部光子效率已經接3近90％。2．內部產生的光子無法全部射出到晶片外部而最後轉化為熱量，這部分是主要的，因為目前這種稱為外部量子效率只有30％左右，大部分都轉化為熱量了。雖然白熾燈的光效很低，只有15lm/W左右，但是它幾乎將所有的電能都轉化為光能而輻射出去，因為大部分的輻射能是紅外線，所以光效很低，但是卻免除了散熱的問題。二.LED晶片到底板的散熱LED晶片的特點是在極小的體積內產生極高的熱量。而LED本身的熱容量很小，所以必須以最快的速度把這些熱量傳導出去，否則就會產生很高的結溫。為了盡可能地把熱量引出到晶片外面，人們在LED的晶片結構上進行了很多改進。為了改善LED晶片本身的散熱，其最主要的改進就是採用導熱更好的襯底材料。早期的LED只是採用Si矽作為襯底。後來就改為藍寶石作為襯底。但是藍寶石襯底的導熱性能不是太好，（在100°C時約為25W/（m-K）），為了改善襯底的散熱，Cree公司採用碳化矽矽襯底，它的導熱性能（490W/（m-K））要比藍寶石高將近20倍。而且藍寶石要使用銀膠固晶，而銀膠的導熱也很差。而碳化矽的唯一缺點是成本比較貴。目前只有Cree公司生產以碳化矽為襯底的LED。4採用碳化矽作為基底以後，的確可以大為改善其散熱，但是其成本過高，而且有專利保護。最近國內的廠商開始採用矽材料作為基底。因為矽材料的基底不受專利的限制。而且性能還優於藍寶石。唯一的問題是GaN的膨脹係數和矽相差太大而容易發生龜裂，解決的方法是在中間加一層氮化鋁（AlN）作緩衝。襯底材料導熱係數W/(m·K)膨脹係數(x10E-6)穩定性導熱性成本ESD(抗靜電)碳化矽(SiC)490-1.4良好高好藍寶石(Al2O3)461.9一般差為SiC的1/10一般矽(Si)1505~20良好為藍寶石的1/10好LED晶片封裝以後，從晶片到管腳的熱阻就是在應用時最重要的一個熱阻，一般來說,晶片的接面面積的大小是散熱的關鍵，對於不同的額定功率，要求有相應大小的接面面積。也就表現為不同的熱阻。幾種類型的LED的熱阻如下所示：類型草帽管食人魚1W面發光熱阻ºK/W150-200508-155早期的LED晶片主要靠兩根金屬電極而引出到晶片外部，最典型的就是稱為ф5或F5的草帽管，它的散熱完全靠兩根細細的金屬導線引出去，所以散熱效果很差，5熱阻很大，這也就是為什麼這種草帽管的光衰很嚴重的原因。此外，封裝時採用的材料也是一個很重要的問題。小功率LED通常採用環氧樹脂作為封裝材料，但是環氧樹脂對400-459nm的光線吸收率高達45%，很容易由於長期吸收這種短波長光線以後產生的老化而使光衰嚴重，50%光衰的壽命不到1萬小時。因而在大功率LED中必須採用矽膠作為封裝材料。矽膠對同樣波長光線的吸收率不到1%。從而可以把同樣光衰的壽命延長到4萬小時。下面列出各家LED晶片公司所生產的各種型號LED的熱阻公司名稱晶片型號晶片類型熱阻°C/W億光EHP53931W冷白13億光EHP－A08L/UT011W，5600K15愛迪生EdixeonSseries1W，5K-8K13-14愛迪生EdixeonKseries1W,8LumenledLuxeonEmitter1W，4.5K-5.5K15NichiaNJSL036AT1W，30CreeXLamp7090XR-E1W8CreeXLampXP-G1W6小功率LED光寶（Lite-On）LTW-M670ZVS（3020）0.07W，20mA160琉明斯30140.1W，30mA45由表中可見，Cree公司的LED的熱阻因為採用了碳化矽作基底，要比其他公司的熱阻至少低一倍。大功率LED為了改進散熱通常在基底下面再放一塊可焊接的銅底板以便焊到散熱器上去。這些熱阻實際上都是在這個銅底板上測得的。是不是碳化矽就是LED襯底的最佳選擇呢，不是這樣，任何事物都會有創新和發展的，最近臺灣的鑽石科技開發出了鑽石島外延片(DiamondIslandsWafer，DIW)做為生產超級LED的基材。這種LED的熱阻可以低至5°C/W。用它製成的超級LED可發出極強的紫外光，其強度不因高溫而降低，反而會更亮。其結構圖如圖4所示。6圖4.採用類鑽碳(DiamondLikeCarbon，DLC)的鍍膜可以大大改善LED的散熱圖5.用DLC鍍膜和鋁結合可以比其它結構的LED有更好的散熱特性而且採用紫外線來激發各種螢光粉也可以得到所需要的各種顏色的LED。而且螢光粉不是採用和環氧樹脂或矽膠混合的方法而是直接塗於晶片表面還可以避免由於環氧樹脂和矽膠的老化而產生的光衰。7這將會使整個LED產生革命性變化。而且擺脫了日美等國的專利束縛。三.集成LED的散熱現在有不少廠商把很多LED晶粒集成在一起以得到大功率的LED。這種LED的功率可以達到5W以上，大多以10W，25W，和50W的功率等級出現。為了把多個LED晶粒（以共晶（Eutectic）或覆晶（Flip-Chip）封裝）連接在一起，因為這些晶粒極為精細，所以需要採用精確的印製電路進行連接。為了得到更好的散熱特性，通常採用陶瓷基板。這種陶瓷基板是由氧化鋁和氮化鋁構成。各種材料的導熱係數如下表所示。材料導熱係數W/mKFR4（普通印製板的玻璃纖維）0.2氧化鋁17-27氮化鋁170-230金315銀425銅398不論氮化鋁還是氧化鋁，它們都是一種絕緣的陶瓷材料，所以可以把印製電路做在上面。但是氮化鋁具有高10倍的導熱係數，所以現在更常用氮化鋁。過去採用厚膜電路，但是其表面不平，電路邊緣毛糙，而且需要800°C以上的燒結溫度。現在大多採用薄膜電路，因為它只需要300度以下的工藝，表面平整度可以0.3um，不會有氧化物生成，附著性好，電路精細，誤差低於+/-1%。它實際上是採用照相刻蝕的方法來製作，採用氧化鋁為基底的薄膜電路製備的具體過程如下：8圖6.薄膜電路的製備過程採用氮化鋁的製作方法相同。第二部分LED燈具的散熱前面講的是LED晶片的散熱，然而任何LED都會製成燈具，所以LED晶片所產生的熱量最後總是通過燈具的外殼散到空氣中去。如果散熱不好，因為LED晶片的熱容量很小，一點點熱量的積累就會使得晶片的結溫迅速提高，如果長時期工作在高結溫的狀態，它的壽命就會很快縮短。然而這些熱量要能夠真正引導出晶片到達外部空氣，要經過很多途徑。具體來說，LED晶片所產生的熱，從它的金屬散熱塊出來，先經過焊料到鋁基板的PCB，再通過導熱膠才到鋁散熱器。所以LED燈具的散熱實際上包括導熱和散熱兩個部分。現在先來看一下每一個環節的導熱性能。四.各種電路基板的導熱在把LED連接到散熱器之前，首先要把它們焊接到電路中去，因為首先要把這些LED連接成幾串幾並，同時還要把他們和恒流源在電路上連接起來。最簡單的辦法是把它們直接焊接到普通印製板上去。對於一些很小功率的LED，例如LED指示燈的確是可以這樣做的。但是對於大多數高亮度和高功率LED來說，普通玻璃纖維印製板的導熱性能就顯得太差了，而必須改成用銅基板或鋁基板甚至陶瓷覆銅板。各種基板的9性能如下：基板類型特點普通印製電路板技術成熟，具有Layout上的優勢，散熱性能差、尺寸大，只適合於低功率產品柔性印製電路重量輕，可彎性，厚度薄，熱傳導率約為：2~3W/mK高導熱係數鋁基板印製板基底為鋁板，熱傳導率約為1~2.2W/mK陶瓷覆銅板DCB熱傳導率高，約200~800W/mK，製作困難，不易量產4.1鋁基板目前幾乎絕大多數的LED燈具中都採用了鋁基板。鋁基板上電路的銅箔為了要導電和導熱要有足夠的厚度和寬度，其厚度在35µm-280µm之間。其寬度最好盡可能佈滿整個基板，以便把熱傳下去。而下面一層絕緣體則要求其絕緣性能很好，而且還要導熱性能很好。然而這兩個性能是矛盾的，通常都是導體的導熱性能好，而絕緣體的導熱性能差。又要導熱好又要絕緣好是很難做到的。也是一種科研的課題。目前採用的是一種摻有陶瓷填充物的改性環氧樹脂或環氧玻璃布粘結片。通過熱壓把銅箔絕緣體和鋁板粘結起來。有一些LED燈具，雖然散熱器是經過精心設計，但是很快就壞，問題就是出在採用了熱阻很大的鋁基板或是剝離強度很差的鋁基板。用一段時間，電路薄膜就翹了起來，也就完全無法導熱，很快就燒壞LED。對於優質鋁基板通常要求其熱阻小於1°C/W。下表是某種鋁基板的規格：性能指標I型鋁基板II型鋁基板熱阻（°C/W）鋁板厚1.5mm0.90.9剝離強度（N/mm）1.82.0絕緣電阻（MΩ）107106擊穿電壓（KV）33熱衝擊（260°C）S（秒）120120燃燒性UL94V-0UL94V-0銅箔厚（mm）0.018,0.035,0.070尺寸規格（mm）500x600x(0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0)國外和臺灣已經能夠生產一種“全膠鋁基板”。所謂全膠是指它的絕緣層完全不用絕緣布，而是用一種絕緣膠。採用絕緣布的鋁基板的熱阻實際上通常在1.7-3.2°10C/W。而採用全膠的鋁基板的熱阻可以做到0.05°C/W，市場出售的商品也可以低至0.2-0.5°C/W。一種性能更好的鋁基板是採用直接在鋁板上生成陶瓷印製電路。先在鋁的表面用微弧氧化生長一層100μm厚的氧化鋁薄膜，再用濺射或絲網印刷製作電路層。採用這種方法的最大優點是結合力強，而且導熱係數高達2.1W/m.K，而且氧化層的熱膨脹係數和鋁差不多，所以它的剝離強度高達5N/mm以上。只是因為這種陶瓷鋁基板的加工製造過程複雜，成本高，所以還很少採用。雖然鋁基板只是一種特殊的印製板，但是它卻承擔著很重的散熱任務，不僅絕緣層的導熱要好，粘結要牢，而且它的外形還必須和散熱器的外形配合，例如，在路燈裡，通常是長方形的外形，在射燈中，通常是圓形的，而在日光燈中，通常是長條形的。為了得到更好的導熱性，也有時採用導熱更好的銅基板，只是其價錢要更貴。而且最後還是要連接到鋁制散熱器上去。有可能會產生熱膨脹係數不同而裂開的問題。4.2導熱膠和導熱雙面膠帶鋁基板雖然已經解決了從LED連接到以鋁板為基板的電路上，可以把熱傳遞到鋁板上，但是遺憾的是，這個鋁板往往還不是最終的散熱器，通常還要把這個鋁板連接到真正的散熱器上去。最簡單