大功率LED散热机理及相关问题分析

介绍

研究大功率LED时，必须研究散热。随着温度的升高，LED的使用寿命大大降低。如果温度超过150℃，将直接烧毁LED。因此，研究LED的散热问题是一个迫切需要解决的问题。

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大功率LED的散热机理

1 LED的传热

传热过程：LED的热源来自PN结，热量从PN结发射到外延层，然后再到封装基板、外壳，最后是空气。有三种热传递模式：

传导：芯片热源处向外传热的过程，称为热传导。从微观角度看，气体、液体、金属、半导体和绝缘体的导热机理有很大不同。金属良好的导热性是由于金属内部分子、原子和电子的热运动，将热量从高温区传递到低温区。气体热传导与分子运动有关。气体分子通过不规则的热运动传热，绝缘体的放热方式为晶格振动。从材料的角度来看，LED是由半导体材料制成的，半导体材料位于绝缘体和金属之间，因此LED不仅可以通过载体传导热量，还可以通过晶格振动传导热量。然而，通过比较两种导热方法的导热系数，可以明显看出晶格导热占主要位置，因此应使用高导热系数的材料。

对流：如果流体本身传热过程中有相对位移，这种热传导方法称为对流热传导。通常依靠气流或水冷散热，但LED芯片密封灯管中。灯管内空气有限，不可能实现空气对流。

辐射：如果一个物体的热量需要通过电磁波传递，这个传热过程叫做热辐射。这种电磁波的波长可见光范围之外，主要是红外线。辐射能量可以用斯蒂芬·玻尔兹曼发明的辐射定律来计算。

2热阻

顾名思义，热阻是热通过物体的阻力。热阻由材料本身的性质决定。与电阻类似，热阻与流经材料的横截面成反比，与导热系数成正比。热阻的计算方法与热阻的计算方法类似。

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LED的芯片结构

LED的芯片结构对LED的散热有很大影响。例如，采用倒装芯片结构，将基板直接封装散热片上，可以加快LED的散热速度。因此，分析LED芯片结构对散热的影响对LED散热的研究具有重要意义。

1正式芯片结构

形式化芯片结构是最早的封装结构，广泛应用于低功耗芯片的设计中。这种结构中，电极位于上方，材料从上到下依次为p-GaN、发光层、n-GaN和衬底。目前，市场上主要使用III族氮化物作为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底具有绝缘特性，因此通常采用形式化结构。

正结构LED光源由p型GaN发出。结构简单，制造工艺相对成熟。前结构的发光源与电极同一侧，电极的发光区域也会占据发光区域，从而影响发光效率。形式结构采用蓝宝石衬底，蓝宝石导热性差，会阻碍传热。此外，正式结构通常有一层环氧树脂，其导热性较差。热量只能通过引脚传递到散热器，远离散热效果，导致环氧树脂快速老化，影响LED的使用寿命。

2倒装芯片结构

与形式结构相比，为了避免电极占据发光表面的问题，开发了一种倒装芯片结构。这种结构与LED的结构相反，因此芯片发出的光直接从电极的另一侧发出。

倒装芯片主要是PHILPS，中国大陆和台湾正开发这种芯片。目前，翻转结构分为两种类型。一种是基于蓝宝石的倒装，保留蓝宝石衬底，这不会显著提高电流密度，但极大地改善了散热。二是不直接使用衬底材料，可以提高电流密度。

倒装芯片技术传统IC行业已经得到了广泛的应用并相对成熟，但LED领域仍然是一个相对较新的技术概念，如芯片尺寸封装（CSP），即无封装工艺技术、芯片级芯片尺寸封装等，都采用倒装芯片技术，具有生产效率高的优势，设备成本低，可靠性高。

2012年，市场上出现了可直接安装的倒装芯片LED芯片，简化了倒装过程。到目前为止，还没有一种封装工艺技术，可以制造过程中完成荧光粉的涂层，直接安装PCB上，直接用作光源，使LED更小，减少散热表面，进一步降低热阻。

3垂直芯片结构

垂直结构led摒弃了传统的蓝宝石衬底，采用高导热系数（硅、锗、铜等）材料作为衬底，极大地提高了led的散热效率。采用垂直结构的LED，N极和P极的两个电极位于外延层的两侧。

与正极两端的横向电流不同，垂直结构具有图形N电极，基本上可以使电流垂直流过LED的外延层。几乎没有横向电流，这会降低结温。此外，垂直结构还解决了p电极占据发光表面的问题，提高了发光面积，提高了发光效率。

虽然垂直结构的芯片有很多优点，导热性好，衬底比蓝宝石衬底便宜得多，发光面积和发光效率相对较高，但实际上市场上垂直结构的产品很少。

垂直结构的制造过程非常复杂。无论是使用硅衬底还是金属衬底，产率都不高，很难达到60%以上。随着科技的发展，垂直结构的研究和开发从未停止过。其高性价比和高发光效率仍然具有很大的优势，符合LED市场的发展趋势。相信不久的将来，它将成为主流结构。

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LED芯片封装结构

LED有多种封装类型。根据发出的光的颜色，有蓝色、红色、绿色、白色等。根据是否添加分散剂和颜色，将其分为四种类型：有色透明、无色透明、有色散射和无色分散。根据包装形状，有圆筒、侧管等。一般来说，许多管芯组装一起形成线光源或区域光源，而单个管芯用作状态指示器或信号灯。

通常，LED灯主要由多个管芯组成。包装中，不同成分的环氧树脂发出的光也不同。不同的包装结构使用不同的场景和功能。为了提高LED的散热性能，首先要优化LED的封装结构和材料。封装结构主要是低热阻。因此，材料选择中应使用热阻较低的散热器和基板，但热阻越低越好。必须考虑LED内部各种材料之间的配合，使PN结的温度从内部到外部有序地发射。通过对LED发光原理和散热路径的分析，可以采用倒装芯片结构来增加芯片面积。可适当采用水冷等方式加快散热。实际应用中，PCB是传热通道的重要组成部分，其导热系数也非常重要。

1.PCB的选择

为了提高大功率LED的散热性能，LED芯片一般直接焊接电路板上，LED的主要散热方向是向下散热。因此，采用大面积镀铜层作为散热面，将PCB镀铜层与散热面焊接一起，可以更好地提高散热效率。大功率LED的主要散热路径从产生温度的PN结开始，经过管芯、散热垫到铜层，但通常使用双层铜层。

2个LED引脚封装

LED早期的封装方式是引脚封装，主要用于低功耗封装。它使用引线框架作为封装外形的引脚。这种包装技术已经发展了很多年。该技术相对成熟，市场上品种繁多，并不断改进，尤其是包装结构和反射层方面。pin封装结构相对简单，应用广泛。缺点是封装的热阻较大，使用寿命不高。

3 LED的表面贴装封装

对于表面贴装封装led，封装元件直接粘贴并焊接到PCB表面，以提高散热效率。首先，将芯片的引脚焊接到焊盘上，然后将整个芯片直接粘贴到PCB表面。芯片和电路通过波峰焊或回流焊连接。表面贴装封装没有引线。与传统的针式封装相比，表面贴装方式的LED体积小、光角大、均匀性好，可以发出各种颜色的光。

4电源型LED封装

为了解决散热和光效低的问题。电源封装技术诞生了。目前，LED电源封装有五种形式：

① 电源型SMD封装，即电源型表面贴装封装

② 铝基板（MCPCB）封装

③ 大尺寸环氧树脂封装

④ 类食人鱼环氧包装

⑤ 飞利浦Luxeon系列套装。

功率LED的热特性对LED的工作温度、发光效率、发光波长和使用寿命有很大影响。因此，功率LED芯片的封装设计和制造技术显得尤为重要。

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LED封装材料

1.基板散热的选择

陶瓷散热基板是由陶瓷材料制成的一种特殊工艺板材。该基板具有良好的电气绝缘性、高散热性、低热阻和较长的使用寿命。它广泛应用于LED领域。目前，大功率LED基本上采用陶瓷基板。目前市场上的陶瓷基板按膜厚可分为厚膜陶瓷散热基板和薄膜陶瓷散热基板两种。

2环氧树脂的选择

目前，市场上主要使用导电硅胶和银浆作为粘接材料。由环氧树脂和有机硅胶组成的导热硅胶是一种无毒、无腐蚀、无污染的环保型硅胶。粘接强度强，固化速度快。它可以-60℃~300℃之间工作，具有良好的导热性。导电银浆是环氧树脂和银粉的复合物。银含量一般60%～70%之间。它具有良好的导电性和导热性。缺点是它会吸收光线，导致LED发光效率降低。

3.基质的选择

LED芯片制造过程中，基板非常重要。外延生长需要根据不同的衬底材料选择不同的工艺。基板芯片加工过程、封装过程和制造过程中起着决定性的作用。总之，LED照明技术的核心是基板。目前，市场上有三种衬底材料：蓝宝石（AL？O？）硅（SI）、碳化硅（SIC）。

4电极层

选择电极材料时，应充分考虑与氧化铝陶瓷的结合。因为氧化铝陶瓷的性能相对稳定，热膨胀系数仅为7.2×10-6m/M·K，金属的膨胀系数远高于此值。目前，焊丝采用无铅焊接，因此要求焊条材料具有更好的可焊性。金属材料尽可能容易获得，对环境没有污染，相对便宜，具有良好的导电性和延展性，并且可以容易地制成不同的样式。

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结论

总之，大功率LED由于其优良的特性，照明市场上具有巨大的潜力。如果能够提高大功率LED的散热性能，就可以促进大功率LED的批量生产，打破美国和日本的国家技术封锁，实现我国大功率LED自主化和产业化的发展目标。