- LED固態(tài)照明的熱問題及其影響
- 封裝基板到冷卻裝置
- LED熱的傳導和疏散
- 層結構熱處理
LED固態(tài)照明是繼白熾燈發(fā)明以來最重要的照明革命。由于半導體材料將電能直接轉化為光，所以LED固態(tài)照明與傳統(tǒng)照明光源最大的不同在于它的光線不是由熱而發(fā)光，是真正意義上的綠色光源，具有壽命長、能耗低、發(fā)光效率高、穩(wěn)定性好、無頻閃、無紅外和紫外線輻射等優(yōu)點，并且發(fā)出的光色度純。
LED固態(tài)照明的研究領域包括七個方面：基礎結構、封裝結構、壽命、量子效率、可靠性和可控性、降低成本。本文所介紹的主要著眼于基礎結構以及多芯片封裝結構的熱處理技術。
2、LED固態(tài)照明的熱問題及其影響
2.1LED散熱問題及其影響：
為了適應通用照明的需要，固態(tài)照明光源迫切需要解決單個芯片散熱問題，以及多芯或多個LED燈管集成組成的散熱問題，其熱聚效應及熱阻過大，直接導致LED結溫升高。據(jù)有關資料分析，大約70%的故障來自于LED的結溫過高，并且在負載為額定功率一半的情況下，溫度每升高20℃，故障率就上升1倍。
2.2LED熱的傳導和疏散：
LED固態(tài)照明光源需要解決如下幾個環(huán)節(jié)的散熱問題：芯片結到外延層；外延層到封裝基板；封裝基板到冷卻裝置。這三個環(huán)節(jié)構成固態(tài)照明光源熱傳導的通道，熱傳導的通道上任何薄弱環(huán)節(jié)的失敗都會使LED光源毀于一旦。為了取得更好的導熱效果，在三個環(huán)節(jié)上都需要采用熱導系數(shù)高的材料。筆者重點論述熱阻設計的第三個環(huán)節(jié)，即封裝基板到冷卻裝置。
3封裝基板到冷卻裝置
3.1大功率LED固體照明開發(fā)現(xiàn)狀：
單芯片W級功率LED現(xiàn)已達到1W、3W和5W。然而上大功率LED的發(fā)熱量卻比小功率LED高數(shù)十倍，而且溫升還會使發(fā)光效率大幅降低，即使封裝技術允許，熱量低于LED芯片的接合溫度卻有可能超過容許值。因此低功率多芯片式多個LED組合成LED固體照明光源，在實際使用中更為普及，在散熱問題上的處理相對較容易，例如松下公司推出的64只芯片組封裝的大功率LED，日亞公司推出的多芯片組合的LED固體照明光源，其光通量可達600Lm。當輸出光通量為1000Lm時，耗電量為30W，最大輸入功率為50W，發(fā)光效率達33Lm/W。
傳統(tǒng)的LED燈封裝結構，一般用導電或非導電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲線完成器件的內外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成，其熱阻高達250℃~300℃。對于功率型LED芯片，可采用低阻率、高導熱性的材料粘結芯片，在芯片下部加銅或鋁等金屬熱沉，并采用半封裝結構，加速散熱降低熱阻。
3.2疊層結構LED固體照明設計：
封裝基板散熱設計，首先要通過提高材料熱導系數(shù)，降低熱膨脹系數(shù)不匹配度來增強LED熱處理性。其次要考慮散熱通道及散熱板的熱容量，散熱通道暢通、散熱好、散熱板熱容量大、熱傳導性能好、熱阻小，LED結升溫就慢，對LED發(fā)光性能就有很好的保障，也就能實現(xiàn)多個LED集群式封裝。
雙面線路板兩端焊接有金屬散熱板，LED芯片直接焊裝在散熱金屬板上，再通過金絲焊線，連接另一端的金屬散熱板。金屬散熱板既是LED封裝基板，也是連接外部的冷卻裝置，LED供電通過雙面線路板傳至兩端金屬散熱板。
把該種結構實現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)，就可實現(xiàn)多個或集群式LED封裝，從而達到W級LED固態(tài)照明目的。該種設計也可將封裝好的貼片發(fā)光二極管兩極焊接在兩端散熱板上。
散熱板為一環(huán)狀金屬散熱筒，中間為一個環(huán)形的雙層線板，LED芯片直接焊裝在環(huán)狀金屬散熱筒上，其熱傳導功能與圖1原理一樣，通過串聯(lián)，實現(xiàn)集群式LED環(huán)狀360發(fā)光面。
前兩者與傳統(tǒng)的固態(tài)照明光源的散熱通道相比，減少了散熱環(huán)節(jié)。由于芯片直接焊裝在金屬基板上，散熱效率更高，芯片到金屬散熱板減少了封裝基板環(huán)節(jié)，同時根據(jù)LED芯片的功率，可加大或縮小散熱板的寬度和厚度，使熱參數(shù)匹配。
3.3疊層結構熱處理設計：
LED發(fā)光芯片內部的熱處理設計固然非常重要，但集群LED固態(tài)照明散熱裝置也極為重要。以下是散熱設計的基本公式：Tr散熱器=（125℃-安全溫度閥值-環(huán)境溫度）/功率-Tr發(fā)光LED-Tr界面；式中：125℃—結溫的典型值；
安全溫度閥值—一般來說取10℃；Tr發(fā)光LED—LED封裝結構自身的熱阻；Tr界面—LED封裝結構與散熱器之間的界面熱阻。由基本公式得知，疊層結構相對于傳統(tǒng)LED照明設計，Ｔr界面熱阻值小，Ｔr值就越大，Ｔr散熱器就越小。同時Tr散熱器根據(jù)散熱板尺寸的大小，設計有較大的余量。另外，降低界面熱阻也需要增加界面的平整度，使用導熱性能更高的填充材料及較好的封裝工藝。
疊層結構技術（DCJS-S）出色的熱導性能在一定程度上解決了大功率LED固態(tài)照明的“瓶頸”——過高的結溫所引發(fā)的一系列問題，使得實用級的LED固態(tài)照明光源成為可能。
