大功率LED 散热问题的探讨

0 引言

1962 年LED 被开发，自此先后研发成功了橙色、蓝色、红色、绿色以及紫外、红外二极管，一开始可见光发光二极管被应用于显示光源，如道路标识灯、刹车灯、交通信号灯、大面积的彩色显示等等。当然，在LED 制造工艺的不断完善与进步，以及新型材料被广泛开发与应用以后，LED 从单色发展到了白色，并逐渐从信号显示转向照明光源，白光LED 半导体固体光源性能得到不断完善，目前已经进入了实用阶段。

1 LED 的原理

LED 的核心部分是由n 型半导体与p 型半导体组成的晶片，利用注入式发光原理制作而成。在n 型与p 型半导体之间，有一个p-n 结的过渡层，当注入的多数载流子和少数载流子复合时，多余的能量会以光的形式在某些半导体材料中释放出来，进而将电能转换成光能。如果反向加电压，那么难以注入少数载流子，因此也就不会发光。

LED 由周期表中的V 族元素与Ⅲ族元素组成，是由化合物半导体材料组成，如：磷化镓与砷化镓是单色LED 常用的材料。

目前，氮化镓是制造白光LED 的主要材料。对于GaN 薄膜材料，目前还没有体单晶GaN 可以同质外延，主要是依靠有机金属气象沉淀法，在相关的异型支撑衬底上来生成。在沉底上依次镀上n-A1GaN、p-A1GaN、n-GaN 等材料，然后使用一系列工艺过程，如：

封装、划片，来完成制造。这种工艺目前发展成熟，但由于蓝宝石是GaN 基LED 的主要衬底材料，所以能够替代它的衬底材料目前还未发现。

2 大功率LED 散热的重要性

传统管芯的功率比较小，需要散热也不多，所以在散热上，并没有什么严重问题，但大功率的LED 就不同了，它的芯片功率密度非常大。目前，由于半导体制造技术的原因，有80% 以上的输入功率转化为了热能，只有不到20% 转化成了光能。芯片的热量如果只是简单的按比例将封装尺寸放大，是无法散发出去的，且极有可能会导致焊锡融化，造成芯片失效，而加快荧光粉与芯片老化是必然会发生的情况，LED 的色度在温度上升时也会变差。对LED 来说散热具有非常重大的意义，一般要求结温在110° C 以下，这样才能保证器件的使用寿命。

目前，大功率LED 封装需要考虑的首要问题就是如何改进不断增大的芯片功率所带来的散热问题。目前，比较常用的改进LED 散热问题的方法有两种，分别是：加快散发内部热量，对LED的散热结构进行改进，使芯片的温度可以有效降低;从根本上减少热量的产生，提高芯片的发光效率，提高器件内量子效率。

3 加快LED 热量散发的常用方法

3.1 采用有良好导热性能的材料

不管是采用哪种装焊方式，都需要将芯片通过粘接材料来粘接到金属热沉上(图一所示)。也就是说，如果粘接材料能有更高的导热性能，就可以将粘接材料层的厚度减少，从而使器件的散热能力显着提高以及使倒装焊LED 的热阻显着降低。相关专业人士利用限元法对倒装大功率白光LED 的空间温度场分布进行了模拟计算，得到芯片温度的分布面图，发现了在底部金属热沉和芯片的粘接部分之间的温度差异较大，也就说明了这一区域存在有很大的热阻，如果我们在进行粘接时，能找到有更好导热性能的材料，那么器件的热阻会得到有效的降低。

3.2 采用倒装焊方式

目前，常用的倒装焊及正装焊LED 芯片功率结构示意图(如图一所示)。倒装焊芯片结构，是为了进一步提高功率型LED 器件的出光效率及散热能力而研发。器件热传导的介质采用热导率较高的Si 材料，将LED 芯片通过倒装焊技术键合在Si 衬底上，这是倒装焊结构的特点。倒装焊LED 芯片结构与正装焊结构相比，可以使热量直接由焊接层传至Si 衬底，不必经由蓝宝石衬底，再由粘接材料和Si 衬底直接传到金属底座。Si 材料的热导率也是比较高的，就进一步提升了其散热能力，可以有效降低器件的热阻。在提高器件的散热能力，降低热阻方面，倒装焊结构具有极为明显的潜在优势。

3.3 采用散热器进行散热

水冷、熟管技术、风冷、微管道散热等，是目前较为常用的散热技术。

风冷散热器对电子芯片的散热是最直接、简单、并且成本最低的散热方式。风冷散热器示意图，(如图二所示)。大多数中、低功耗的电子设备或者器件中，一般应用的都是空气冷气或者是强制风冷技术，因为风冷散热器原理非常的简单：就是将芯片耗散的热量通过粘接材料来传递到金属底座上，然后再由金属底座传递到散热片，最后通过强制对流或是自然对流的方式，热量就散发到空气中了。对流和传导是其重要的两种传热方式。我们可以采用以下方法加强对流散热和传导，将芯片耗散的热量在允许的温度条件下传递到大气环境。