LED照明散熱解析

繁華的城市離不開(kāi)LED燈的裝飾，相信大家都見(jiàn)過(guò)LED，它的身影已經(jīng)出現(xiàn)在了我們的生活的各個(gè)地方，也照亮著我們的生活。LED以其體積小、耗電量低、環(huán)保、堅(jiān)固耐用以及光源顏色豐富等特點(diǎn)。備受廣大用戶的青睞。但是目前LED照明的發(fā)展面臨的瓶頸之一就是散熱，本文將通過(guò)分析照明過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題對(duì)LED的影響，來(lái)引出散熱技術(shù)在LED照明中的重要性，并且就目前以及將來(lái)的散熱技術(shù)做概括和分析。

一、LED照明中存在的發(fā)熱問(wèn)題以及影響

1.LED照明存在的發(fā)熱問(wèn)題

在使用LED照明過(guò)程中，與使用傳統(tǒng)照明方式一樣，需要將電能轉(zhuǎn)換為光能。然而在這兩種方式中，沒(méi)有一種能夠完全地將電能轉(zhuǎn)換成光能，而且只能將少數(shù)部分的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余大部分電能(60%一70%)在LED發(fā)光、照明的過(guò)程中轉(zhuǎn)化成了熱能。

尤其是對(duì)于大功率的LED器件及照明燈具來(lái)說(shuō)，隨著功率的不斷增大，LED內(nèi)部芯片的溫度也會(huì)逐漸上升，而且LED內(nèi)部芯片以及其它器件的性能會(huì)隨著溫度上升而下降，甚至失效。最終導(dǎo)致LED器件無(wú)法工作。從根本上講，結(jié)溫的上升降低了PN結(jié)發(fā)光復(fù)合的幾率。表現(xiàn)在光源上就是發(fā)光亮度下降，產(chǎn)生了飽和現(xiàn)象。因此發(fā)熱問(wèn)題是LED發(fā)展過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。

2.發(fā)熱問(wèn)題對(duì)LED的影響

在上面發(fā)熱問(wèn)題中提到，發(fā)熱問(wèn)題不僅會(huì)影響到LED器件的壽命，還能夠影響到發(fā)光亮度。經(jīng)驗(yàn)證明，LED尤其是大功率LED的壽命主要依賴于芯片的結(jié)溫，溫度越高?？煽啃栽降停ぷ鲏勖蕉?。因此不僅需要從LED材料、制作方式、封裝結(jié)構(gòu)以及發(fā)光原理等方面綜合設(shè)計(jì)LED器件，更重要的是解決目前存在LED器件以及燈具中的散熱問(wèn)題，選擇合適的封裝結(jié)構(gòu)、合理的散熱方式，并應(yīng)用到LED照明中。

二、LED照明散熱技術(shù)現(xiàn)狀

針對(duì)LED器件以及燈具在電能轉(zhuǎn)化為光能方面的局限性，提出了散熱技術(shù)這一概念。散熱旨在解決在LED照明過(guò)程中，除去電能轉(zhuǎn)化成的那一部分光能，由電能轉(zhuǎn)化成的熱量對(duì)LED內(nèi)部芯片產(chǎn)生的影響(使得芯片性能下降、老化甚至失效)。

1、影響LED散熱的主要因素

影響散熱的主要因素有材料屬性(導(dǎo)熱率)、封裝結(jié)構(gòu)、封裝材料、芯片尺寸、芯片材料、芯片上電流密度等。一般情況下，LED照明器件以及燈具是由芯片、電路基板、外部散熱器以及驅(qū)動(dòng)器四部分構(gòu)成。因此目前存在兩種散熱設(shè)計(jì)方案：一是減少LED 器件由電能轉(zhuǎn)化成熱能，實(shí)現(xiàn)過(guò)程需要通過(guò)提高LED內(nèi)部器件的內(nèi)量子效率，從而提高LED的出光效率，進(jìn)而從內(nèi)部解決LED在照明(使用)過(guò)程中產(chǎn)生的散熱問(wèn)題;二面是從外部設(shè)計(jì)考慮出發(fā)，通過(guò)改變LED器件以及燈具的封裝材料或者封裝方式，以達(dá)到減小封裝熱阻的目的，有時(shí)還需要配置合適的散熱器來(lái)解決高結(jié)溫問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)LED器件的使用壽命。

2、目前存在的散熱方式

由于在技術(shù)方面的局限性，目前多采用改變LED照明器件的外部設(shè)計(jì)或者使用散熱器的方法來(lái)解決散熱問(wèn)題。LED照明器件的散熱方式目前有很多種，可以分為封裝級(jí)散熱方式和燈具級(jí)散熱方式。封裝級(jí)散熱方式，顧名思義，它是通過(guò)優(yōu)化LED內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)以及材料來(lái)達(dá)到減小封裝熱阻的效果，主要分為封裝結(jié)構(gòu)方面的硅基板倒裝芯片(FCLED)結(jié)構(gòu)、金屬線路板結(jié)構(gòu)等和材料方面的基于基板材料和粘帖材料的擇優(yōu)選取原則。

而燈具級(jí)散熱方式主要是指熱量從封裝基板到外部散熱器的傳遞過(guò)程中實(shí)施散熱的方式，主要分為被動(dòng)散熱和主動(dòng)散熱，主動(dòng)散熱是指通過(guò)系統(tǒng)以外的能量驅(qū)動(dòng)，將LED 內(nèi)部芯片以及本身器件的熱量散發(fā)出去，主要包括加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱、液冷散熱、半導(dǎo)體制冷散熱、離子風(fēng)散熱和合成射流散熱等;而被動(dòng)散熱是指僅通過(guò)散熱器本身，將在LED照明過(guò)程中產(chǎn)生的熱量分散出去，達(dá)到降低結(jié)溫的效果，主要有直接自然對(duì)流散熱和熱管(平板熱管、環(huán)路熱管和翅片式熱管)技術(shù)散熱兩種。

3、幾種散熱方式舉例

(1)材料的擇優(yōu)選取原則

在采用這種散熱方式的前提就是封裝結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，可以根據(jù)已經(jīng)確定好的封裝結(jié)構(gòu)選擇最合適的封裝材料來(lái)提高系統(tǒng)導(dǎo)熱性能，進(jìn)而減少LED照明器件的封裝熱阻，最終達(dá)到系統(tǒng)散熱的效果。封裝材料可以大致地分為基板材料、粘貼材料和封裝材料三種。

就基板材料而言，LED照明器件中涉及到的散熱技術(shù)要求基板材料具有高電絕緣性、高穩(wěn)定性、高導(dǎo)熱性以及芯片匹配的熱膨脹系數(shù)。常用的基板材料主要有硅、金屬(鋁、銅等)、陶瓷(A1N、SiC)和復(fù)合材料。

(2)液冷散熱

液冷散熱方式是一種利用液體在泵的強(qiáng)制帶動(dòng)下流經(jīng)散熱器表面的方式，耗散熱量的散熱技術(shù)。美國(guó)廠商Etemaleds曾推出一種“水冷式”LED燈——Etemaleds HydraLux一。它采用液冷散熱方式，不僅省去了用于冷卻燈泡內(nèi)部的散熱管、散熱片及風(fēng)扇等，而且沒(méi)有在燈泡的上半部分包覆散熱材料，它的光放射角擴(kuò)大到了360度，如圖1-1所示。

由上面的介紹可知，液冷散熱方式是一種主動(dòng)散熱方式，然而液冷散熱方式在制作過(guò)程復(fù)雜且難于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格高，不適用于高溫、震動(dòng)等惡劣環(huán)境;而且在液冷散熱方式在LED照明器件應(yīng)用中，要求密封高的液體循環(huán)致冷裝置，如果在生產(chǎn)過(guò)程中稍有不當(dāng)，就會(huì)造成LED器件的損毀。

三、LED照明散熱技術(shù)的進(jìn)展

隨著目前LED照明技術(shù)的日漸成熟，以及LED照明應(yīng)用的普及，現(xiàn)有的散熱技術(shù)不僅是基于封裝結(jié)構(gòu)、材料的，而且還有基于能量傳遞過(guò)程的。就封裝材料中的基板材料在近幾年中有了新的發(fā)展，且最新趨勢(shì)指向了對(duì)于硅基氮化鎵(GaN—on—Silicon)的研發(fā)。在與已有的藍(lán)寶石基板相比之下，硅基氮化鎵有以下特點(diǎn)：能夠減少熱膨脹差異系數(shù)，能夠強(qiáng)化LED發(fā)光強(qiáng)度，制造成本低、散熱效果顯著。

因此硅基氮化鎵受到了LED生產(chǎn)商的青睞。與傳統(tǒng)的照明技術(shù)相比，LED并沒(méi)有完全取代傳統(tǒng)的光源，這是由于在LED照明技術(shù)方面仍存在著許多關(guān)鍵性問(wèn)題，主要的瓶頸之一就是散熱問(wèn)題。雖然現(xiàn)有的散熱方式有很多，但是還存在局限性，如實(shí)現(xiàn)困難，成本高、導(dǎo)熱性能差、環(huán)境要求高以及技術(shù)不成熟等。

因此在LED照明散熱技術(shù)方面還有待深人研究和發(fā)展，以便為L(zhǎng)ED相關(guān)技術(shù)的成熟發(fā)展和LED的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。雖然LED在生活中處處可見(jiàn)，但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計(jì)人員擁有更加專業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備，這樣才能設(shè)計(jì)出更加符合生活所需的產(chǎn)品。