文档介绍：[分享]LED的散热技术原理   Post By:2011-5-3 13:35:19
 LED的散热现在越来越为人们所重视,这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关,散热不好结温就高,寿命就短,依照阿雷纽斯法则温度每降低 10℃寿命会延长2倍。从Cree公司发布的光衰和结温的关系图(图1)中可以看出,结温假如能够控制在65°C,那么其光衰至70%的寿命可以高达10 万小时!这是人们梦寐以求的寿命,可是真的可以实现吗?是的,只要能够认真地处理它的散热问题就有可能做到!遗憾的是,现在实际的LED灯的散热和这个要求相去甚远!以致LED灯具的寿命变成了一个影响其性能的主要问题,所以必须要认真对待!
图1. 光衰和结温的关系
而且,结温不但影响长时间寿命,也还直接影响短时间的发光效率,例如Cree公司的XLamp7090XR-E的发光量和结温的关系如图2所示。
图2. 结温和发光量的关系
假如以结温为25度时的发光为100%,那么结温上升至60度时,其发光量就只有90%;结温为100度时就下降到80%;140度就只有70%。可见改善散热,控制结温是十分重要的事。
除此以外LED的发热还会使得其光谱移动;色温升高;正向电流增大(恒压供电时);反向电流也增大;热应力增高;荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题,所以说,LED的散热是LED灯具的设计中最为重要的一个问题。
第一部分    LED芯片的散热
一、结温是怎么产生的
LED发热的原因是因为所加入的电能并没有全部转化为光能,而是一部分转化成为热能。LED的光效目前只有100lm/W,其电光转换效率大约只有20~30%左右。也就是说大约70%的电能都变成了热能。
具体来说,LED结温的产生是由于两个因素所引起的。
,也就是在电子和空穴复合时,并不能100%都产生光子,通常称为由“电流泄漏”而使PN区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率,也就是转化为热能,但这部分不占主要成分,因为现在内部光子效率已经接近90%。
,这部分是主要的,因为目前这种称为外部量子效率只有30%左右,大部分都转化为热量了。
虽然白炽灯的光效很低,只有15lm/W左右,但是它几乎将所有的电能都转化为光能而辐射出去,因为大部分的辐射能是红外线,所以光效很低,但是却免除了散热的问题。
二、LED芯片到底板的散热
LED芯片的特点是在极小的体积内产生极高的热量。而LED本身的热容量很小,所以必须以最快的速度把这些热量传导出去,否则就会产生很高的结温。为了尽可能地把热量引出到芯片外面,人们在LED的芯片结构上进行了很多改进。
为了改善LED芯片本身的散热,其最主要的改进就是采用导热更好的衬底材料。早期的LED只是采用Si硅作为衬底。后来就改为蓝宝石作为衬底。但是蓝宝石衬底的导热性能不是太好,(在100°C时约为25W/(m-K)),为了改善衬底的散热,Cree公司采用碳化硅硅衬底,它的导热性能(490W/(m-K))要比蓝宝石高将近20倍。而且蓝宝石要使用银胶固晶,而银胶的导热也很差。而碳化硅的唯一缺点是成本比较贵。目前只有Cree公司生产以碳化硅为衬底的LED。
图3. 蓝宝石和碳化硅衬底的LED结构图
采用碳化硅作为基底以后,的确可以大为改善其散热,但是其成本过高,而且有专利保护。最近国内的厂商开始采用硅材料作为基底。因为硅材料的基底不受专利的限制。而且性能还优于蓝宝石。唯一的问题是GaN的膨胀系数和硅相差太大而容易发生龟裂,解决的方法是在中间加一层氮化铝(AlN)作缓冲。
衬底材料
导热系数
W/(m·K)
膨胀系数
(x10E-6)
稳定性
导热性
成本
ESD
(抗静电)
碳化硅(SiC)
490
-
良
好
高
好
蓝宝石(Al2O3)
46
一般
差
为SiC的1/10
一般
硅(Si)
150
5~20
良
好
为蓝宝石的1/10
好
LED芯片封装以后,从芯片到管脚的热阻就是在应用时最重要的一个热阻,一般来说,芯片的接面面积的大小是散热的关键,对于不同的额定功率,要求有相应大小的接面面积。也就表现为不同的热阻。几种类型的LED的热阻如下所示:
类型
草帽管
食人鱼
1W
面发光
热阻  oK/W
150-200
50
8-15
5
早期的LED芯片主要靠两根金属电极而引出到芯片外部,最典型的就是称为ф5或F5的草帽管,它的散热完全靠两根细细的金属导线引出去,所以散热效果很差,热阻很大,这也就是为什么这种草帽管的光衰很严重的原因。此外,封装时采用的材料