摘要：闡述了熱對(duì)LED的影響，并對(duì)LED照明熱傳的基本路徑作了分析，然后逐一介紹了LED燈具上可能用到的各種散熱產(chǎn)品和模組。為初涉LED行業(yè)者提供了第一手的學(xué)習(xí)材料，也為L(zhǎng)ED燈具工程師提供了散熱設(shè)計(jì)的方向和參考。

　　關(guān)鍵詞：結(jié)溫；熱傳路徑；界面材料；散熱器

　　1、引言

　　在全球性的能源短缺和環(huán)境污染加劇的今天，LED以其節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)有著廣闊的應(yīng)用空間。與傳統(tǒng)照明燈具相比，它同時(shí)也具有亮度高、能耗低、壽命長(zhǎng)、方向性好、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。然而如果LED光源不能很好散熱、它的壽命及各種性能參數(shù)也會(huì)受影響。因此，了解LED燈具發(fā)熱原因和熱傳路徑，運(yùn)用合理的熱傳材料和科學(xué)的散熱解決方案，對(duì)于推廣大功率LED照明起到一個(gè)非常重要的作用。

　　2、熱對(duì)LED的影響

　　LED是個(gè)光電器件，其工作過(guò)程中只有 15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使LED 的溫度升高。在大功率LED 中，散熱是個(gè)大問(wèn)題。按照目前芯片材料的耐溫水平，通常結(jié)溫不能大于150oC，且較高的結(jié)溫對(duì)LED燈具產(chǎn)生較多不良影響。
  
　　2.1 結(jié)溫對(duì)LED光輸出的影響

 　   實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)LED的結(jié)溫升高時(shí)，器件的輸出光強(qiáng)度將逐漸減??；而當(dāng)結(jié)溫下降時(shí)，光輸出強(qiáng)度將增大，一般情況下，這種變化是可逆與可恢復(fù)的，當(dāng)溫度回到原來(lái)的值，光強(qiáng)也會(huì)回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。

　　2.2  結(jié)溫對(duì)發(fā)光波長(zhǎng)的影響
    
  　結(jié)溫所引致的LED發(fā)光波長(zhǎng)的變化將直接造成人眼對(duì)LED發(fā)光顏色的不同感受。對(duì)于一個(gè)LED器件，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長(zhǎng)或顏色。InGaAlP與InGaN材料屬III-V族化合物半導(dǎo)體，當(dāng)它們溫度升高時(shí)，材料的禁帶寬度將減小，導(dǎo)致器件發(fā)光波長(zhǎng)變長(zhǎng)，顏色發(fā)生紅移。

　　有經(jīng)驗(yàn)公式表明，波長(zhǎng)與結(jié)溫Tj的關(guān)系為：

 λ（T2）=λ（T1）+kΔT

　　其中：λ（T2）表示結(jié)溫T2時(shí)的波長(zhǎng)；λ（T1）表示結(jié)溫T1時(shí)的波長(zhǎng)；K表示波長(zhǎng)隨溫度變化的系數(shù)。
  
　　2.3  結(jié)溫對(duì)LED正向電壓的影響

  　  正向電壓是判定LED性能的一個(gè)重要參量，它的數(shù)值取決于半導(dǎo)體材料的特性，芯片尺寸以及器件的成結(jié)與電極制作工藝。對(duì)于一個(gè)確定的LED芯片，二端的正向壓降與溫度的關(guān)系可由下式表示：

VfT= VfTo+K（T-To） 

　　式中：VfT與VfTo分別表示結(jié)溫為T與To時(shí)的正向壓降，K是壓降隨溫度變化的系數(shù) 。
    
　　2.4　結(jié)溫對(duì)發(fā)光效率ηv的影響

　　LED發(fā)光效率用公式表現(xiàn)如下：

　　在輸入功率一定時(shí)：

　　1. 熱量 結(jié)溫正向壓降V電流I熱量發(fā)光效率

    2. LED內(nèi)部會(huì)形成自加熱循環(huán)，如果不及時(shí)引導(dǎo)和消散LED的熱量，LED的發(fā)光效率將不斷降低。

    2.5  高溫下器件性能的衰變

　　在高溫下，LED的光輸出特性除會(huì)發(fā)生可恢復(fù)性的變化外，還將隨時(shí)間產(chǎn)生一種不可恢復(fù)的永久性的衰變。

    通常有以下原因促成高溫條件下LED器件輸出性能的永久性衰減：
　　1.  材料內(nèi)缺陷的增殖，侵入發(fā)光區(qū)，形成大量的非輻射復(fù)合中心，嚴(yán)重降低器件的注入效率與發(fā)光效率。

    2.  另外，在高溫條件下，材料內(nèi)的微缺陷及來(lái)自界面與電板的快擴(kuò)雜質(zhì)也會(huì)引入發(fā)光區(qū)，形成大量的深能級(jí)，同樣會(huì)加速LED器件的性能衰變。

    3.  高溫時(shí)，LED封裝環(huán)氧的變性，是LED性能衰變乃至失效的又一個(gè)主要原因。
    3、LED燈具熱傳路徑分析

　　3.1 LED熱性能參數(shù)

  　LED芯片的散熱方式主要是傳導(dǎo)和對(duì)流。其中，衡量散熱性能的一個(gè)重要指標(biāo)為結(jié)溫Tj，其表達(dá)式為：

TJ= TA+Rth×PD 

　　式中：PD為熱耗散功率 ，Rth為L(zhǎng)ED的熱阻，Tj和Ta分別為結(jié)溫和環(huán)溫。通常，對(duì)于同樣大小功率的LED燈具來(lái)講，其結(jié)溫越小，則性能越好。
　　3.2  高功率LED燈具熱傳路徑

    對(duì)于高功率LED照明燈具，它的結(jié)構(gòu)形式也不盡相同，其傳熱途徑和熱阻也略有區(qū)別。然而其大體上可沿著以下路徑傳導(dǎo)：結(jié)點(diǎn)、熱沉、MCPCB、散熱器、空氣。

    4 、LED燈具散熱模塊熱傳材料介紹
   
　　4.1  LED散熱基板材料

    在LED產(chǎn)品應(yīng)用中，通常需要將多個(gè)LED光源組裝在一電路基板上。電路基板除了扮演承載LED模塊結(jié)構(gòu)的角色外，另一方面，隨著LED輸出功率越來(lái)越高，基板還必須扮演散熱的角色，以將LED晶體產(chǎn)生的熱傳派出去，因此在材料選擇上必須兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及散熱方面的要求。
   
　　傳統(tǒng)LED由于LED發(fā)熱量不大，散熱問(wèn)題不嚴(yán)重，因此只要運(yùn)用一般的銅箔印刷電路板(PCB)即可。但隨著高功率LED越來(lái)越盛行PCB已不足以應(yīng)付散熱需求。因此需再將印刷電路板貼附在一金屬板上，即所謂的Metal Core PCB，以改善其傳熱路徑。另外也有一種做法直接在鋁基板表面直接作絕緣層或稱介電層，再在介電層表面作電路層，如此LED模塊即可直接將導(dǎo)線接合在電路層上。

　　除此之外，新型發(fā)展起來(lái)的散熱基板材料，還有陶瓷基板(Ceramic Substrate) 、直接銅結(jié)合基板(Direct Copper Bonded Substrate) 、LED復(fù)合材料基板(Composite Substrate)等。
　　接下來(lái)介紹了幾種常見(jiàn)的LED基板材料，并作了比較。    　　

應(yīng)根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用選擇基板材料，低功率LED發(fā)熱量不大，用PCB基板即可，對(duì)高功率LED，為滿足其散熱要求，采用MCPCB基板。我們平日所見(jiàn)的大功率LED照明燈具大多數(shù)使用的是鋁基的MCPCB。

　　4.2  LED界面材料

 　 由于散熱器底面與鋁基板表面之間會(huì)存在很多溝壑或空隙，其中都是空氣。由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，所以空氣間隙會(huì)嚴(yán)重影響散熱效率，使散熱器的性能大打折扣，甚至無(wú)法發(fā)揮作用。為了減小芯片和散熱器之間的空隙，增大接觸面積，必須使用導(dǎo)熱性能好的導(dǎo)熱材料來(lái)填充，如導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱硅酯、導(dǎo)熱黏合劑、相轉(zhuǎn)變材料等。

　　4.3  散熱器

　　散熱器的作用就是吸收基板或芯片傳遞過(guò)來(lái)的熱量，然后發(fā)散到外界環(huán)境，保證LED芯片的溫度正常。絕大多數(shù)散熱器均經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可適用于自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流的情況。即主動(dòng)式散熱器和被動(dòng)式散熱器。其各自的性能特點(diǎn)見(jiàn)下表：

    當(dāng)然，對(duì)于大功率照明用LED燈具，被動(dòng)式散熱器（即不含風(fēng)扇的散熱器）應(yīng)用更為廣泛。通常我們選用的散熱器材料要同時(shí)具有高比熱和高熱傳導(dǎo)系數(shù)，鋁的這兩個(gè)參數(shù)都居于前列，是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的選擇。目前絕大多數(shù)散熱器都采用鋁合金作為主要材料，最為廣泛的鋁擠散熱器和鋁壓鑄散熱器。Fin片型散熱器

　　對(duì)于大功率LED照明燈具，也有不少?gòu)S家推出各種較為新穎的主動(dòng)散熱器模組，如Fin片＋風(fēng)扇、Fin片+熱管、液體強(qiáng)迫對(duì)流、微通道致冷、相變致冷等。尤其是將相變傳熱的熱管和扁平熱管（Vapor chamber）技術(shù)引入LED照明設(shè)計(jì)中，更衍生出各種效果明顯的散熱產(chǎn)品。以下為筆者根據(jù)自身多年散熱經(jīng)驗(yàn)，正在開(kāi)發(fā)的一些散熱方案或構(gòu)想，有興趣的朋友可以按此方向做一些設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。

　　5 、結(jié)論

　　對(duì)于大功率LED燈具 ,由于其輸入功率的進(jìn)一步提高,更多熱量需要有效地耗散掉 ,因此大功率LED燈具的散熱問(wèn)題對(duì)于 LED 的發(fā)展是一個(gè)挑戰(zhàn)。本文在討論LED照明熱傳的基礎(chǔ)上，對(duì)各種散熱材料和產(chǎn)品也做了初步介紹，希望可以為今后的LED散熱設(shè)計(jì)工作者提供一些指引和參考。

    作者：深圳精能實(shí)業(yè) LED研發(fā)部經(jīng)理 文林