微熱管技術(shù)解決LED散熱問(wèn)題（1）

來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

相對(duì)傳統(tǒng)光源，LED具有的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)還包括長(zhǎng)壽命、響應(yīng)快、潛在高光效、體積小以及窄光譜等優(yōu)點(diǎn)。但究其本質(zhì)，在這眾多的優(yōu)點(diǎn)中，潛在的高光效、體積小和窄光譜這三點(diǎn)最為關(guān)鍵，這使得LED有別于傳統(tǒng)光源，并拓寬了它在多種領(lǐng)域的應(yīng)用。但是也正是由于其體積小、高光效的特點(diǎn)，使得LED仍存在應(yīng)用的障礙——散熱問(wèn)題。

依照目前的半導(dǎo)體制造技術(shù)，大功率LED只能將約15%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，而其余85%轉(zhuǎn)化成了熱能。而散熱不良將導(dǎo)致芯片加速老化，減少LED壽命。如果沒(méi)有良好的散熱方法，芯片的熱量散不出去，將使芯片失效。所以，LED芯片散熱問(wèn)題成了LED技術(shù)應(yīng)用的障礙。

一、散熱成LED開發(fā)必須解決難題

如果LED芯片的熱量不能散出去，會(huì)加速芯片的老化，還可能導(dǎo)致焊錫的融化，使芯片失效。LED發(fā)光是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生的，其光譜中不含紅外光，LED的熱量不能靠輻射散出，因此LED被稱為冷光源。LED一般采用環(huán)氧樹脂封裝，環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱能力非常差，熱量只能靠芯片下面的引腳散出。傳統(tǒng)亮度的LED因?yàn)榘l(fā)光功率小，熱量也不大，故沒(méi)有散熱問(wèn)題。而功率型LED用在照明上需要將多顆LED組成光源模塊以達(dá)到所需的光通量。對(duì)于大功率器件來(lái)說(shuō)，其輸入功率≥1W,而芯片尺寸則為lmm×lmm~2.5mm×2.5mm之間，芯片的功率密度很大，因此必須在較小的LED封裝中處理極高的熱量。目前LED的取光效率僅能達(dá)到10%~20%,還有80%~90%的能量轉(zhuǎn)換成了熱能。如果LED芯片的熱量不能散出去，會(huì)加速芯片的老化，還可能導(dǎo)致焊錫的融化，使芯片失效，具體表現(xiàn)為：

一是發(fā)光強(qiáng)度降低。隨著芯片結(jié)溫的升高，芯片的發(fā)光效率也會(huì)隨之降低，芯片結(jié)溫越高，發(fā)光強(qiáng)度下降越快。

二是發(fā)光主波長(zhǎng)偏移，致使光轉(zhuǎn)換效率下降。

三是加速LED的光衰，嚴(yán)重降低LED的壽命。

所以，功率型LED芯片散熱問(wèn)題成為當(dāng)前LED技術(shù)在照明工程中應(yīng)用的障礙。為保證功率型LED的正常工作，需通過(guò)有效的散熱設(shè)計(jì)，保證LED的工作結(jié)溫在允許溫度范圍內(nèi)。散熱能力越強(qiáng)，結(jié)溫越低。熱能需要通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射才能散發(fā)。正因?yàn)長(zhǎng)ED光源自身沒(méi)有紅外線、紫外線，因此LED光源自身沒(méi)有輻射散熱功能，LED照明燈具的散熱途徑只能通過(guò)與LED燈珠板密切組合的散熱器來(lái)導(dǎo)出熱量。只有盡快導(dǎo)出熱量才能有效降低LED燈具內(nèi)的腔體溫度，才能保護(hù)電源不在持久的高溫環(huán)境下工作，才能避免LED光源因長(zhǎng)期高溫工作而發(fā)生早衰。

LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題主要有兩個(gè)方面：一是LED功率芯片內(nèi)的散熱（導(dǎo)熱），涉及到器件的封裝技術(shù)；二是LED功率芯片的外部散熱，主要涉及基板導(dǎo)熱、翅片散熱器及其與環(huán)境空氣的對(duì)流換熱。目前，在解決功率型LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題上主要采用的方法有：調(diào)整LED的間距、自然對(duì)流散熱、加裝風(fēng)扇或是水冷強(qiáng)制散熱、熱管和回路熱管散熱等。

在現(xiàn)今LED集成高密度，產(chǎn)熱量高熱流量的發(fā)展趨勢(shì)下，借助熱管的高效輸熱來(lái)實(shí)現(xiàn)快速散熱就變得非常必要。另外，現(xiàn)有散熱裝置強(qiáng)調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、忽視對(duì)流散熱環(huán)節(jié)，盡管眾多的廠家考慮了各種各樣的措施來(lái)改善熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)：如采用熱管、加導(dǎo)熱硅脂等，卻沒(méi)有意識(shí)到熱量最終還是要依靠燈具的外表面帶走，忽視了傳熱的均衡性，如果翅片的溫度分布嚴(yán)重不均勻，將會(huì)導(dǎo)致其中部分翅片（溫度較低的部分）效率大大降低?，F(xiàn)有針對(duì)LED照明的散熱裝置仍局限于功率較低LED照明元件，并且效果不明顯，成本高，不易應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

二、內(nèi)外部散熱相互作用決定LED散熱性能

用于加快芯片熱量散發(fā)的方法包括采用倒裝焊、使用導(dǎo)熱性能良好的粘接材料、使用散熱器等。

LED散熱技術(shù)主要包括兩個(gè)方面：一是LED功率芯片的內(nèi)部傳熱，涉及器件的封裝技術(shù)，因?yàn)榉庋b必然產(chǎn)生內(nèi)部熱阻，這個(gè)熱阻的大小決定了結(jié)溫與金屬底座(支架)的溫差(在給定功率條件下)；二是LED功率芯片的外部散熱，也就是LED產(chǎn)生的熱最終必然要散發(fā)到空氣中去，需要基板導(dǎo)熱、翅片散熱器及其與環(huán)境空氣的對(duì)流換熱。外部散熱與內(nèi)部散熱相互作用決定了LED照明器具的散熱性能。

對(duì)于LED功率芯片的內(nèi)部傳熱，增強(qiáng)功率型LED散熱能力的核心目標(biāo)是降低LED結(jié)溫，一般要控制在85℃以下。LED功率芯片的內(nèi)部傳熱主要是從LED內(nèi)部熱阻計(jì)算入手來(lái)進(jìn)一步探討和改進(jìn)LED封裝技術(shù)。LED作為半導(dǎo)體器件，主要以結(jié)溫和內(nèi)部熱阻來(lái)體現(xiàn)它的熱學(xué)特性。在LED芯片的制作與封裝方面，用于加快芯片熱量散發(fā)的方法包括采用倒裝焊、使用導(dǎo)熱性能良好的粘接材料、使用散熱器等。倒裝焊芯片(flip-chip)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)很大提高了功率型LED的散熱能力和出光效率。無(wú)論采用哪種焊接方式，芯片都需通過(guò)粘接材料粘接到金屬熱沉上，所以粘接材料不僅要熱導(dǎo)率更高，更要厚度小才能顯著降低倒裝焊LED的熱阻，提高器件的散熱能力。通常選用導(dǎo)熱膠、導(dǎo)電型銀漿和錫漿這三種材料進(jìn)行粘貼。導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱特性較差，導(dǎo)電型銀漿既有良好的導(dǎo)熱特性，又有較好的粘貼強(qiáng)度。但由于銀漿在提升高度的同時(shí)會(huì)發(fā)熱，且含鉛等有毒金屬，因此并不是粘貼材料的最佳選擇。與前兩者相比，導(dǎo)電型錫漿的導(dǎo)熱特性是三種材料中最優(yōu)的，導(dǎo)電性能也非常優(yōu)越。近年來(lái)封裝結(jié)構(gòu)良好的功率型LED元件，其總熱阻已經(jīng)降為6℃~10℃/W。

對(duì)于LED功率芯片的外部散熱，目前常用電子器件的散熱技術(shù)按從熱沉帶走熱量的方式分為自然風(fēng)冷、強(qiáng)制風(fēng)冷、強(qiáng)制液冷。由于LED散熱的特殊性(高價(jià)值、維護(hù)成本高、工作時(shí)間長(zhǎng)、防護(hù)等級(jí)高等)，目前LED通過(guò)熱沉散熱的主要方式最可靠的是自然風(fēng)冷。但由于自然風(fēng)冷的換熱系數(shù)較低，為了滿足大功率LED的散熱，通常只能通過(guò)加大與空氣換熱的熱沉表面積(翅片面積)來(lái)實(shí)現(xiàn)換熱量的提高。另外由于電子器件的溫度不高，無(wú)論使用何種表面材料(輻射率最高為接近于1)，輻射散熱在相對(duì)好的自然散熱模組中最大不會(huì)超過(guò)總換熱量的10%左右，且技術(shù)相對(duì)單一且成熟，在此不討論。

從理論上講，如果使用每顆功率較低的分散LED且每顆LED熱沉的散熱面積足夠大，則LED照明系統(tǒng)的散熱就不成為技術(shù)問(wèn)題。但由此會(huì)產(chǎn)生LED的重量、配光、造型等各方面的實(shí)際問(wèn)題，因此，對(duì)于超大功率LED(尤其是聚光燈、工礦燈及大功率路燈)，散熱就成為了LED照明系統(tǒng)的主要技術(shù)問(wèn)題。

當(dāng)不考慮LED內(nèi)部熱阻時(shí)，一個(gè)有效的LED外部散熱器(或稱散熱模組)需要解決三個(gè)層次的傳熱問(wèn)題：一是要將大功率集中發(fā)熱體(高熱流密度)的熱量通過(guò)基座低熱阻有效吸收與擴(kuò)散形成相對(duì)低熱流密度的熱量；二是將相對(duì)低熱流密度的熱量能盡可能有效地傳輸?shù)缴崮＝M的本體，使得本體表面溫度盡可能均勻一致(使得翅片效率接近于1)；三是散熱模組的自然空氣對(duì)流散熱要優(yōu)化。

針對(duì)第一個(gè)傳熱問(wèn)題，傳統(tǒng)上低熱阻有效吸收與擴(kuò)散高熱流密度發(fā)熱體熱量的最簡(jiǎn)單方法就是利用高導(dǎo)熱材料如銅、鋁材料做基材(支架或熱沉基座)，但當(dāng)熱流密度較高時(shí)，發(fā)熱體中心熱量還是很難有效擴(kuò)散開來(lái)，造成中心部溫度過(guò)高。對(duì)于超大功率的集成LED光源，傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)熱無(wú)法解決其中心溫度過(guò)高的難題。

針對(duì)第二個(gè)傳熱問(wèn)題，目前最通常的辦法是采用鋁翅片來(lái)實(shí)現(xiàn)模組本體內(nèi)部的導(dǎo)熱。很顯然，為了達(dá)到翅片有效導(dǎo)熱(高翅片效率)，鋁翅片的厚度要求厚，使得高度受到很大的限制(過(guò)高翅片效率降低)，造成散熱模組的重量大，單位重量的散熱量小，最關(guān)鍵的是無(wú)法解決集成光源中心部位溫度過(guò)高的難題。因此，近年來(lái)發(fā)展出了VC(蒸汽腔，又名均溫板，最初主要用于CPU的散熱)、微槽群蒸發(fā)器、熱柱等來(lái)替代支架、熱沉本體導(dǎo)熱的相變技術(shù)及其功能性傳熱器件。針對(duì)第三個(gè)問(wèn)題，目前對(duì)于全翅片式散熱器(主要用于分散光源)，可采用小模塊組合式解決整體式模組中心部位散熱不利的問(wèn)題。而用于超大功率或者集中光源的散熱模組，目前采用VC、微槽群蒸發(fā)器、熱柱等散熱模組都沒(méi)有或者很難實(shí)現(xiàn)理想的空氣對(duì)流模式。

審核編輯黃昊宇