LED制造技術(shù)與應(yīng)用(十一)

LED制造技術(shù)與應(yīng)用(十一)與LED應(yīng)用有關(guān)的技術(shù)問題介紹2012-5-3白光LED的制作2-1制作白光LED的三種主要方法

2-2大功率白光LED的制作2-1制作白光LED的三種主要方法方法一、藍(lán)光LED+YAG熒光粉日亞化學(xué)(Nichia)提出以460nm波長的InGaN藍(lán)光晶粒涂上一層YAG（yttriumaluminumgarnet，釔鋁石榴石）熒光物質(zhì)，利用藍(lán)光LED照射此熒光物質(zhì)以產(chǎn)生與藍(lán)光互補(bǔ)的555nm波長黃光，再利用透鏡原理將互補(bǔ)的黃光、藍(lán)光予以混合，便可得出肉眼所需的白光。這也是目前主要的商品化作法。白光LED開發(fā)基礎(chǔ)在于藍(lán)光技術(shù)，目前仍以日亞化學(xué)領(lǐng)先，擁有眾多專利權(quán)。優(yōu)點(diǎn)：效率高、制備簡單、溫度穩(wěn)定性較好、具有實(shí)用性。缺點(diǎn)：是熒光粉與膠混合后，均勻性較難控制。由于熒光粉易沉淀，導(dǎo)致布膠不均勻、布膠量不好控制，因而造成出光均勻性差、色調(diào)一致性不好、色溫偏高且隨角度變化，顯色性不夠理想。涂覆YAG黃色熒光粉優(yōu)缺點(diǎn)方法二、紫外LED+RGB熒光粉

1997年飛利浦提出利用紫外光激發(fā)RGB熒光粉產(chǎn)生三色光來混合形成白光的發(fā)明專利，但該專利未涉及具體熒光粉的組成。優(yōu)點(diǎn)：顯色性好、光色均勻，無偏色，制備簡單。缺點(diǎn)：目前，LED芯片出光效率較低，有紫外光泄漏問題；而且用于封裝的環(huán)氧樹脂在紫外光照射下易分解老化，從而使透光率下降；熒光粉溫度穩(wěn)定性問題有待解決。方法三、三基色LED合成白光白色是紅綠藍(lán)三色按亮度比例混合而成，當(dāng)光線中綠色的亮度69%，紅色的亮度為21％，藍(lán)色的亮度為10％時(shí)，混色后人眼感覺到的是純白色。使用InGaAlP(紅)，GaN(藍(lán))，GaN(綠)為材質(zhì)的三顆LED，分別控制通過LED電流發(fā)出紅，藍(lán)及綠光，因?yàn)檫@三顆晶粒是放在同一個(gè)燈泡中，透鏡可將發(fā)出的光加以混合而產(chǎn)生白光。光強(qiáng)的比例通常為3：6：1。優(yōu)點(diǎn)：效率高、色溫可控、顯色性較好。缺點(diǎn)：三基色光衰不同導(dǎo)致色溫不穩(wěn)定，當(dāng)點(diǎn)亮發(fā)熱后，三基色光的主波長漂移也不同；控制電路較復(fù)雜、成本較高；溫度的變化會引起色溫偏差。三基色多芯片組白光LED的優(yōu)缺點(diǎn)。W級功率白光LED的光、電、熱通道電學(xué)通道：電流比較大，一般是幾十毫安到幾百毫安以上，所以這種電流通道要考慮好。光學(xué)通道：藍(lán)光產(chǎn)生、黃光產(chǎn)生、剩余的藍(lán)光與產(chǎn)生的黃光比例、藍(lán)光黃光的重疊等。熱學(xué)通道：散熱問題(金線直徑，耐沖擊，熱膨脹)(硅凝膠/硅樹脂，折射率1.5)(固晶膠，共晶焊，接觸面積)大功率白光LED設(shè)計(jì)中的主要問題：2-2大功率白光LED的制作與LED應(yīng)用有關(guān)的技術(shù)問題介紹一.LED的驅(qū)動(dòng)方式二.LED的散熱技術(shù)三.

LED的光學(xué)設(shè)計(jì)四.LED的防靜電控制與LED應(yīng)用有關(guān)的技術(shù)問題介紹一.LED的驅(qū)動(dòng)方式二.LED的散熱技術(shù)三.

LED的光學(xué)設(shè)計(jì)四.LED的防靜電控制1.LED的驅(qū)動(dòng)概念由于LED是特性敏感的半導(dǎo)體器件，不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220V的交流市電。因而在應(yīng)用過程中需要對其進(jìn)行穩(wěn)定工作狀態(tài)和保護(hù)，從而產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)的概念。

LED實(shí)際上是一個(gè)2～3伏的低電壓驅(qū)動(dòng)的單向?qū)щ娖骷?，必須要設(shè)計(jì)復(fù)雜的變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源適配器。

LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)具有直流控制、高效率、PWM調(diào)光、過壓保護(hù)、負(fù)載斷開、小型尺寸以及簡便易用等特點(diǎn)。給LED供電的電源必須注意以下事項(xiàng):（1）LED是單向?qū)щ娖骷?，由于這個(gè)特點(diǎn)，就要用直流電流或者單向脈沖電流給LED供電。（2）LED是一個(gè)具有PN結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體期間，具有勢壘電勢，這就形成了導(dǎo)通閾值電壓，加在LED上的電壓值超過這個(gè)閾值電壓時(shí)LED才會充分導(dǎo)通。不同顏色的LED閥值電壓不同，黃綠紅1.4V就可以驅(qū)動(dòng)，像藍(lán)，紫，白，橙的驅(qū)動(dòng)電壓是2.5V以上。（3）LED的I-V特性是非線性的，流過LED的電流在數(shù)值上等于供電電源的電動(dòng)勢減去LED的勢壘電勢后再除以回路的總電阻(電源內(nèi)阻、引線電阻和LED體電阻之和)。因此，流過LED的電流和加在LED兩端的電壓不成正比。LED伏安特性曲線（4）LED的PN結(jié)的溫度系數(shù)為負(fù)，溫度升高時(shí)LED的勢壘電勢降低。由于這個(gè)特點(diǎn)，所以LED不能直接用電壓源供電，必須采用限流措施，否則隨著LED工作時(shí)溫度的升高，電流會越來越大，以至損壞LED。（5）流過LED的電流和LED的光通量的比值也是非線性的。LED的光通量隨著流過LED的電流增加而增加，但卻不成正比，越到后來光通量增加得越少。因此，應(yīng)該使LED在一個(gè)發(fā)光效率比較高的電流值下工作。2.LED的驅(qū)動(dòng)方式LED的驅(qū)動(dòng)方式一般使用恒定電流源和恒定電壓源進(jìn)行控制。圖2.1

LED的恒流驅(qū)動(dòng)(串聯(lián))圖2.2

LED的恒流驅(qū)動(dòng)(并聯(lián))2-1

LED的恒定電流源驅(qū)動(dòng)：√分選，測試2-2

LED的恒定電壓源驅(qū)動(dòng)：圖2.1

LED的恒壓驅(qū)動(dòng)(串聯(lián))圖2.2

LED的恒壓驅(qū)動(dòng)(并聯(lián))每種驅(qū)動(dòng)方式均有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)LED產(chǎn)品的要求、應(yīng)用場合，合理選用LED驅(qū)動(dòng)方式，精確設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源成為關(guān)鍵。一般的整流電路的輸出電壓隨著電網(wǎng)電壓的波動(dòng)也會變化，由此可知，采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的特性。因此，LED驅(qū)動(dòng)通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)。理想的LED驅(qū)動(dòng)方式是采用恒壓、恒流方式，但驅(qū)動(dòng)器的成本會增加。2-3-1鎮(zhèn)流電阻方案這是一種極其簡單，自LED面世以來至今還一直在用的經(jīng)典電路。LED工作電流I按下式計(jì)算：

I與鎮(zhèn)流電阻R成反比；當(dāng)電源電壓U上升時(shí)，R能限制I的過量增長，使I不超出LED的允許范圍。2-3典型LED驅(qū)動(dòng)電路(實(shí)現(xiàn)恒流，恒壓的電路)此電路的優(yōu)點(diǎn)是簡單，成本低；缺點(diǎn)是電流穩(wěn)定度不高；電阻發(fā)熱消耗功率，導(dǎo)致用電效率低，僅適用于小功率LED范圍。鎮(zhèn)流電阻R的計(jì)算公式是：按此公式計(jì)算出的R值僅滿足了一個(gè)條件：工作電流I。而對驅(qū)動(dòng)電路另兩個(gè)重要的性能指標(biāo)：電流穩(wěn)定度和用電效率，則全然沒有顧及。因此用它設(shè)計(jì)出的電路，性能沒有保證。2-3-2鎮(zhèn)流電容(降壓)電路電容降壓電路是一種常見的小電流電路，由于其具有體積小、成本低、電流相對恒定等優(yōu)點(diǎn)，也常應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)電路中。此方案的優(yōu)點(diǎn)是簡單，成本低，供電方便；缺點(diǎn)是電流穩(wěn)定度不高，效率也不高。僅適用于小功率LED范圍。當(dāng)LED的數(shù)量較多，串聯(lián)后LED支路電壓較高的場合更為適用。上面已經(jīng)提到電阻、電容鎮(zhèn)流電路的缺點(diǎn)是電流穩(wěn)定度低（△I/I達(dá)±20～50％），用電效率也低（約50～70％），僅適用于小功率LED燈。為滿足中、大功率LED燈的供電需要，利用電子技術(shù)常見的電流負(fù)反饋原理，設(shè)計(jì)出許多恒流驅(qū)動(dòng)電路。像直流恒壓電源一樣，按其調(diào)整管是工作在線性，還是開關(guān)狀態(tài)，恒流驅(qū)動(dòng)電路也分成兩類：線性恒流驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路。右圖是最簡單的兩端線性恒流驅(qū)動(dòng)電路。它借用三端集成穩(wěn)壓器LM337組成恒流電路，外圍僅用兩個(gè)元件：電流取樣電阻R和抗干擾消振電容C。2-3-3線性恒流驅(qū)動(dòng)電路2-3-4、開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路A．直流低壓開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路a.由分立元件構(gòu)成的開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路b.由IC構(gòu)成的開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路B．交流220V開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路與LED應(yīng)用有關(guān)的技術(shù)問題介紹

一.LED的驅(qū)動(dòng)方式二.

LED的散熱技術(shù)三.

LED的光學(xué)設(shè)計(jì)四.

LED的防靜電控制散熱問題是當(dāng)前半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸光電轉(zhuǎn)換效率:?白熾燈～3%?熒光燈～15%?LED燈~20%-40%(約60%~80%能量轉(zhuǎn)化為熱量)在結(jié)溫60~80度時(shí)，Xlamp熱轉(zhuǎn)換效率約70~80%1、

熱量的來源-結(jié)溫的產(chǎn)生LED的光效目前只有100lm/W，其電光轉(zhuǎn)換效率大約只有20~40%左右。也就是說大約70%的電能都變成了熱能。具體來說，LED結(jié)溫的產(chǎn)生是由于兩個(gè)因素所引起的。1．內(nèi)部量子效率不高，也就是在電子和空穴復(fù)合時(shí)，并不能100％都產(chǎn)生光子，通常稱為由“電流泄漏”而使PN區(qū)載流子的復(fù)合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率，也就是轉(zhuǎn)化為熱能，但這部分不占主要成分，因?yàn)楝F(xiàn)在內(nèi)部光子效率已經(jīng)接近90％。2．內(nèi)部產(chǎn)生的光子無法全部射出到芯片外部而最后轉(zhuǎn)化為熱量，這部分是主要的，因?yàn)槟壳斑@種稱為外部量子效率只有30％左右，大部分都轉(zhuǎn)化為熱量了。Cree公司發(fā)布的光衰與結(jié)溫的關(guān)系圖照阿雷紐斯法則溫度每降低10℃壽命會延長2倍。2、結(jié)溫的影響(危害)：假如以結(jié)溫25度時(shí)的發(fā)光為100%，那么結(jié)溫上升至60度時(shí)，其發(fā)光量就只有90%；結(jié)溫為100度時(shí)就下降到80%；140度就只有70%?？梢姼纳粕?，控制結(jié)溫是十分重要的事。

Cree公司XLamp7090XR-E的發(fā)光量和結(jié)溫的關(guān)系圖溫度上升----主波長受影響：藍(lán)光向短波長漂移,其它顏色向長波長漂移(紅光)溫度上升----相關(guān)色溫(CCT)：白光的相關(guān)色溫升高,其它色溫將下降;溫度上升----正向電壓：正向電壓下降;溫度上升----反向電流增大;溫度上升----熱應(yīng)力增大;溫度上升----如是帶熒光粉,環(huán)氧樹脂的led,溫度上升將導(dǎo)致這些材料發(fā)生劣化;上述也只是部分溫度過高對LED部分性能產(chǎn)生影響,實(shí)際受影響的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些,嚴(yán)重的將導(dǎo)致LED燈失效;溫度上升----元器件的使用壽命減少;

溫度上升----發(fā)光效率下降;減少熱量產(chǎn)生：LED產(chǎn)生熱量的多少取決于內(nèi)量子效應(yīng)。在氮化鎵材料的生長過程中，應(yīng)改進(jìn)材料結(jié)構(gòu)，優(yōu)化生長參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的外延片，從而提高器件內(nèi)量子效率，提高芯片的發(fā)光效率，從根本上減少熱量的產(chǎn)生;

—上中游產(chǎn)業(yè)完成3-1降低LED溫度的兩種方式：(2)促進(jìn)熱量發(fā)散：系統(tǒng)集成，改進(jìn)LED散熱結(jié)構(gòu)，加快內(nèi)部熱量的傳導(dǎo)和散發(fā)，提高換熱效率，以有效地降低芯片溫度。

—燈具散熱設(shè)計(jì)的主要工作3、LED的熱管理(ThermalManagement)：熱傳導(dǎo)

熱對流/熱輻射二次散熱設(shè)計(jì)研究方向LED模組散熱器3-2熱量傳遞的三種基本方式：3-2-1熱傳導(dǎo)(spreading)3-2-2熱對流(Convection)主動(dòng)對流和強(qiáng)制對流的比較：

PassivePassivePassivePassiveActiveActive3-2-2熱輻射(radiation)4、LED散熱技術(shù)介紹LED的熱流模型所以從芯片產(chǎn)生的熱量到空氣的總熱阻就應(yīng)該是：Rja=Rj1

+

(Rj2

+

Rj3

+

Rj4)

+

Rj5

+

Rj6

+

Rj7

Rj1：芯片基板的熱阻Rj2：焊料的熱阻Rj6：鋁基板PCB的熱阻Rj4：導(dǎo)熱硅膠的熱阻Rj7：散熱器熱阻Rj5：熱沉的熱阻Rj3：焊料的熱阻4-1晶片層級散熱技術(shù)-襯底的選擇4-2封裝層級散熱技術(shù)-熱沉的選擇4-3

PCB層級散熱技術(shù)4-4界面散熱技術(shù)4-5系統(tǒng)模組層級散熱技術(shù)(散熱片設(shè)計(jì))熱傳導(dǎo)熱對流熱輻射4-1晶片層級散熱技術(shù)藍(lán)寶石和碳化硅襯底的LED結(jié)構(gòu)圖4-1-1襯底的選擇-SiC

4-2封裝層級散熱技術(shù)當(dāng)LED功率往更高效提升時(shí)，整個(gè)LED的散熱瓶頸將出現(xiàn)在LED熱沉(晶?；?，如何將LED晶粒所產(chǎn)生的熱能有效的從晶粒傳導(dǎo)至系統(tǒng)電路板，是該層級散熱技術(shù)的主要目的。4-2-1封裝方式對熱阻的影響Tj1：采用一般銀導(dǎo)熱膠、鋁金屬熱沉；Tj2

：采用新導(dǎo)熱膠、銅金屬熱沉。

結(jié)溫與芯片尺寸的關(guān)系2001年，LumiLeds

公司研制出了AlGalnN

功率型倒裝芯片結(jié)構(gòu)。LED芯片通過凸點(diǎn)倒裝連接到硅基上。這樣熱量不必經(jīng)由藍(lán)寶石襯底，而是直接傳到熱導(dǎo)率更高的硅或陶瓷襯底，再傳到金屬底座，由于其有源發(fā)熱區(qū)更接近散熱體，可降低內(nèi)部熱沉熱阻。4-2-2倒裝芯片結(jié)構(gòu)-Lumileds但是，熱阻與熱沉的厚度成正比，受硅片機(jī)械強(qiáng)度與導(dǎo)熱性能所限，很難通過減薄硅片來進(jìn)一步降低內(nèi)部熱沉的熱阻，制約了其傳熱性能的進(jìn)一步提高。各種合金的導(dǎo)熱系數(shù)表4-2-3熱沉材料的選擇-Cu/Al

金屬復(fù)合材料基板銅基板Al基板

Lumileds

公司2006年推出的LuxeonK2功率型LED采用了一個(gè)銅熱沉來強(qiáng)化散熱，達(dá)到很好的散熱效果。4-2-4熱沉材料的選擇-陶瓷由陶瓷燒結(jié)而成得LED基板，有散熱性佳、耐高溫、耐潮濕等優(yōu)點(diǎn)。降低LED晶粒陶瓷散熱基板的熱阻為目前提升LED發(fā)光效率最主要的課題之一，若依其線路制作方法可區(qū)分為厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、以及薄膜陶瓷基板三種，分別說明如下：厚膜陶瓷基板乃采用網(wǎng)印技術(shù)生產(chǎn)，藉由刮刀將材料印制于基板上，經(jīng)過干燥、燒結(jié)、雷射等步驟而成，目前臺灣厚膜陶瓷基板主要制造商為禾伸堂、九豪等公司。一般而言，網(wǎng)印方式制作的線路因?yàn)榫W(wǎng)版張網(wǎng)問題，容易產(chǎn)生線路粗糙、對位不精準(zhǔn)的現(xiàn)象。因此，對于未來尺寸要求越來越小，線路越來越精細(xì)的高功率LED產(chǎn)品，亦或是要求對位準(zhǔn)確的共晶或覆晶制程生產(chǎn)的LED產(chǎn)品而言，厚膜陶瓷基板的精確度已逐漸不敷使用。厚膜陶瓷基板LaminaCeramics公司研制了低溫共燒陶瓷金屬基板。低溫共燒多層陶瓷技術(shù)，以陶瓷作為基板材料，將線路利用網(wǎng)印方式印刷于基板上，再整合多層的陶瓷基板，最后透過低溫?zé)Y(jié)而成，采用共晶焊技術(shù)將基板與大功率LED芯片直接焊接在一起即刻。而其臺灣主要制造商有璟德電子、鋐鑫等公司。低溫共燒多層陶瓷基板之金屬線路層亦是利用網(wǎng)印制程制成，同樣有可能因張網(wǎng)問題造成對位誤差，此外，多層陶瓷疊壓燒結(jié)后，還會考量其收縮比例的問題。因此，若將低溫共燒多層陶瓷使用于要求線路對位精準(zhǔn)的共晶/覆晶LED產(chǎn)品，將更顯嚴(yán)苛。低溫共燒多層陶瓷為了改善厚膜制程張網(wǎng)問題，以及多層疊壓燒結(jié)后收縮比例問題，近來發(fā)展出薄膜陶瓷基板作為LED晶粒的散熱基板。薄膜散熱基板乃運(yùn)用濺鍍、電/電化學(xué)沉積、以及黃光微影制程制作而成，具備：(1)低溫制程(300℃以下)，避免了高溫材料破壞或尺寸變異的可能性；(2)使用黃光微影制程，讓基板上的線路更加精確；(3)金屬線路不易脫落…等特點(diǎn)，因此薄膜陶瓷基板適用于高功率、小尺寸、高亮度的LED，以及要求對位精確性高的共晶/覆晶封裝制程。而目前臺灣主要以璦司柏電子與同欣電等公司，具備了專業(yè)薄膜陶瓷基板生產(chǎn)能力。薄膜陶瓷基板德國Curmilk公司研制的高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板(AlN或)和導(dǎo)電層(Cu)在高溫高壓下燒結(jié)而成，沒有使用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高、絕緣性強(qiáng)，如圖所示。高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板采用類鉆碳(DiamondLikeCarbon，DLC)的鍍膜可以大大改善LED的散熱最近臺灣的鉆石科技開發(fā)出了鉆石島外延片(DiamondIslandsWafer，DIW)做為生產(chǎn)超級LED的基材。這種LED的熱阻可以低至<5°C/W。用它制成的超級LED可發(fā)出極強(qiáng)的紫外光，其強(qiáng)度不因高溫而降低，反而會更亮。4-2-5熱沉材料的選擇-DLC用DLC鍍膜和鋁結(jié)合可以比其它結(jié)構(gòu)的LED有更好的散熱特性4-3

PCB板級散熱技術(shù)系統(tǒng)電路板主要是作為LED散熱系統(tǒng)中，最后將熱能導(dǎo)至散熱鰭片、外殼或大氣中的材料。現(xiàn)在各大LED產(chǎn)商一般采用的金屬線路板(MCPCB)結(jié)構(gòu)利用具有極佳熱傳導(dǎo)性質(zhì)的鋁等金屬，將芯片封裝到覆有幾毫米厚銅電極的PCB板上，或者將芯片封裝在有金屬夾層的PCB板上，然后再封裝到散熱片上來解決散熱問題。

鋁基板PCB由電路層(銅箔層)、導(dǎo)熱絕緣層和金屬基層等組成。具有絕緣層薄、熱阻小、無磁性、熱容大、散熱好的特點(diǎn)。

1、電路層要求具有很大的載流能力，因此要使用較厚的銅箔作電路，厚度約35μm~280μm;

2、導(dǎo)熱絕緣層是PCB鋁基板核心技術(shù)所在，它是由特種陶瓷填充的特殊聚合物構(gòu)成，具有熱阻小、粘彈性能優(yōu)良、抗老化、可承受機(jī)械及熱應(yīng)力等特點(diǎn)。該系列的PCB鋁基板具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和高強(qiáng)度的電氣絕緣性能。其工藝要求：鍍金、噴錫、OPS抗氧化、沉金、無鉛ROHS制程等。

3、金屬基層：鋁。4-3-1

Cree熱電分離LEDOSRAM公司推出的Golden

Dragon系列LED系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是熱沉與金屬線路板直接接觸，具有很好的散熱性能;其芯片用紅外或回流焊焊接在銅合金熱擴(kuò)散層上，熱擴(kuò)散層再焊接在鋁芯的PCB板上。4-3-2

Golden

Dragon

系列LEDLaminaCeramics開發(fā)的金屬低溫共燒陶瓷(LTCC-M)的多層印刷電路板制造，將多層陶瓷通過低溫?zé)Y(jié)在銅鉬銅(CuMoCu)金屬上，共燒收縮率縮小到了大約0.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)LTCC和HTCC工藝的12.7%～15%。鉬銅復(fù)合材料具有與芯片相近的熱膨脹系數(shù)，而陶瓷層具有很高的介電性，LED芯片可以直接安裝到金屬板層上。優(yōu)良的導(dǎo)熱性能使LaminaCeramics可以高密度的排列多個(gè)LED發(fā)光點(diǎn)，從而在小面積內(nèi)得到異常高的光強(qiáng)。4-3-3

Lamina

Ceramics

系列LED4-4界面散熱所謂界面散熱就是將LED的熱量導(dǎo)出來到散熱結(jié)構(gòu)上的過程。通常采用導(dǎo)熱膏，焊錫，導(dǎo)熱絕緣墊等熱導(dǎo)率比較高的粘貼材料，同時(shí)減小粘接材料層的厚度，設(shè)計(jì)中盡量減少熱阻。LED的熱流模型所以從芯片產(chǎn)生的熱量到空氣的總熱阻就應(yīng)該是：Rja=Rj1

+

(Rj2

+

Rj3

+

Rj4)

+

Rj5

+

Rj6

+

Rj7

Rj1：芯片基板的熱阻Rj2：焊料的熱阻Rj6：鋁基板PCB的熱阻Rj4：導(dǎo)熱硅膠的熱阻Rj7：散熱器熱阻Rj5：熱沉的熱阻Rj3：導(dǎo)熱硅膠的熱阻

4-4-1

共晶焊連接(芯片-熱沉)

4-4-2導(dǎo)熱膠連接(與散熱器連接)熱管導(dǎo)熱原理回路熱管

4-4-3導(dǎo)熱管連接利用銅的良好導(dǎo)熱性，利用銅管給50瓦LED散熱4-5系統(tǒng)模組層級散熱技術(shù)(散熱器設(shè)計(jì))目前常用的散熱技術(shù)有風(fēng)冷、水冷、微管道散熱、熱管技術(shù)等。(a)風(fēng)冷散熱器的原理很簡單:芯片耗散的熱量通過粘接材料傳導(dǎo)到金屬底座上，再傳導(dǎo)到散熱片上，通過自然對流或強(qiáng)制對流把熱量散發(fā)到空氣中。傳導(dǎo)和對流是兩種主要的傳熱方式。1、

采用導(dǎo)熱性能好的材料作散熱器：常用的散熱器材主要是鋁和銅。2、

增大散熱器的散熱面積：散熱面積越大，其熱容量越大。為提高換熱系數(shù)，可采用波紋狀肋面制造紊流。3、

強(qiáng)迫風(fēng)冷：選擇合適的風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)，加快散熱片周圍空氣的流動(dòng)，可以改善氣流組織，提高對流換熱系數(shù)，從而改善散熱效果。(b)水冷又稱為液冷。它的散熱效率高，熱傳導(dǎo)率為傳統(tǒng)風(fēng)冷方式的20倍以上，且無風(fēng)冷散熱的高噪音，能較好地解決降溫和降噪問題。水冷散熱裝置大致可分為微型水泵、循環(huán)管、吸熱盒和散熱片四個(gè)部分。

4-5-1常用的散熱器技術(shù)用導(dǎo)熱性能好的材料

散熱器的整個(gè)有效面積要考慮的因素

散熱片之間的距離

散熱片的長度

散熱片的厚度散熱片的擺放位置

用放熱系數(shù)較大的表面處理

為了保證模組和散熱器之間的熱傳導(dǎo)，要用導(dǎo)熱介質(zhì)。。。。。

4-5-2散熱器設(shè)計(jì)需要考慮的因素需要考慮的因素(1)用導(dǎo)熱性能好的材料

LED散熱選材原則:①導(dǎo)熱性能好——相對其它固體材料，金屬具有更好的熱傳導(dǎo)能力；

②易于加工——延展性好，高溫相對穩(wěn)定，可采用各種加工工藝；

③易獲取——金屬但供貨量大，不需特殊工序，價(jià)格也相對低廉；鋁的導(dǎo)熱系數(shù)較高，加工性能好，表面處理技術(shù)成熟且成本低廉，現(xiàn)階段主要通過鋁制散熱器進(jìn)行散熱。鋁制散熱器表面處理技術(shù)成熟，可通過陽極氧化來提高表面輻射率，增加輻射熱交換。如上圖，在LED背面鋁基板加散熱U型板或者類似可以直接傳導(dǎo)散熱的導(dǎo)熱材料，這種方法適用于10瓦以下的散熱設(shè)計(jì)，但這種方式的散熱部件必須有足夠小的熱阻和足夠大的散熱面積。(2)散熱器的整個(gè)有效面積要考慮的因素散熱器采用鰭片的形狀是為了加大散熱面積。以利于輻射散熱和對流散熱。散熱器的最重要指標(biāo)就是它的散熱面積A，但是散熱器的不同部位的散熱效果是不同的。在根部的散熱效果就差，而在頂部的散熱效果就好。所以散熱器有一個(gè)有效散熱面積。它通常是實(shí)際面積的70%左右。從經(jīng)驗(yàn)得出，一般要散1W功率的熱量大約需要50-60平方厘米的有效散熱器面積。

上圖是臺灣產(chǎn)的一個(gè)樣燈，是40瓦LED的散熱設(shè)計(jì)，利用增加和空氣的接觸面積來給LED散熱，保證了LED的光效和壽命。為了加大散熱面積，通常會采用增加高度的方法。但是，高度增加到一定程度以后其作用會越來越小。下圖表明增加高度對于降低結(jié)溫的影響的一個(gè)例子。由圖中可以看出，高度增加到40mm以后，結(jié)溫的降低就很慢了。LED結(jié)溫隨散熱器的高度增加而降低(3)散熱片的厚度加大長度也是加大面積的一個(gè)方法。但是并不是長度越長越好。由圖可知長度增加到一定程度后，結(jié)溫不但不再降低，反而會升高。這是因?yàn)榭諝庠谘亻L度方向的流動(dòng)受到阻礙所致(主要對于垂直放置的鰭片為如此)。結(jié)溫和長度的關(guān)系(4)散熱片的長度(6)用放熱系數(shù)較大的表面處理，提高發(fā)射率。

(鋁一般用噴漆或者陽極)輻射散熱能力提升主要通過提高散熱器表面發(fā)射率來實(shí)現(xiàn)，常用方法是表面做涂漆，噴沙提高粗糙度，陽極氧化等措施。輻射對散熱在自然散熱條件下有一定影響，強(qiáng)迫空冷基本沒有效果，并且一般散熱器發(fā)射率的差異不大，在產(chǎn)品中一般不作重點(diǎn)考慮。(5)散熱片的擺放位置所以對于散熱器來說，除了加大面積以外，如何加速空氣的對流是很重要的事。為了在各種風(fēng)向情況下都能有很好的對流，最好采用針狀鰭片散熱器。但這也減小了其等效散熱面積很大的百分比。針狀散熱器珠海南科首次把針狀散熱器應(yīng)用至LED路燈中，據(jù)說這可以使LED的結(jié)溫降低15度以上，提高了LED的壽命。(7)增加對流(8)采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱15WLED中LED結(jié)溫和風(fēng)速的關(guān)系目前幾乎絕大多數(shù)的LED燈具都是采用自然空氣對流來散熱的。然而，對流的散熱效果是和空氣的流速是有密切關(guān)系的。最近臺灣Sunon公司推出全球最小、最薄、耗電量最低的“毫米科技風(fēng)扇與鼓風(fēng)扇MightyMiniFan&Blower。并用于各種功率的LED燈具。

4-5-3散熱器制程(1)考慮到自然冷卻時(shí)溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個(gè)齒的熱邊界層易交叉,影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm,如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距≥1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。

(2)自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱齒表面增加波紋不會

對自然對流效果產(chǎn)生太大的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。

(3)采用撓動(dòng)設(shè)計(jì)方法，破壞介質(zhì)層流層，使散熱效果提高。用旋轉(zhuǎn)

太陽花、撓動(dòng)空氣旋轉(zhuǎn)裝置、煙囪的抽吸原理都是好方法。

(4)自然對流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強(qiáng)化輻射換熱。(5)由于自然對流達(dá)到熱平衡的時(shí)間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應(yīng)足夠，以抗擊瞬時(shí)熱負(fù)荷的沖擊，建議大于5mm以上。

4-5-4自然散熱器設(shè)計(jì)方法一個(gè)好的散熱設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下幾點(diǎn)：(1)較好的LED光源（熱阻低，光效好）(2)良好的熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)（一體化，均熱性，無瓶頸）(3)優(yōu)異的散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（對流，輻射）(4)較好的散熱器表面處理方式（增強(qiáng)輻射）(5)良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（氣流導(dǎo)向，位置方式）總結(jié)SeeYouNextTime!結(jié)溫（JunctionTemperature）結(jié)溫：是處于電子設(shè)備中實(shí)際半導(dǎo)體芯片的最高溫度。它通常高于外殼溫度和器件表面溫度。結(jié)溫可以衡量從半導(dǎo)體晶圓到封裝器件外殼間的散熱所需時(shí)間以及熱阻。LED結(jié)溫：當(dāng)電流流過LED元件時(shí)，PN結(jié)的溫度將上升，嚴(yán)格意義上說，就把PN結(jié)區(qū)的溫度定義為LED的結(jié)溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結(jié)溫。1、結(jié)溫的定義：

a、元件不良的電極結(jié)構(gòu)，襯底或結(jié)區(qū)的材料以及導(dǎo)電銀膠等均存在一定的電阻值，當(dāng)電流流過PN結(jié)時(shí)，同時(shí)也會流過這些電阻，從而產(chǎn)生焦耳熱，引致芯片溫度或結(jié)溫的升高。

b、由于PN結(jié)不可能極端完美，元件的注人效率不會達(dá)到100%，也即是說，在LED工作時(shí)除P區(qū)向N區(qū)注入電荷(空穴)外，N區(qū)也會向P區(qū)注人電荷(電子)，一般情況下，后一類的電荷注人不會產(chǎn)生光電效應(yīng)，而以發(fā)熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷，也不會全部變成光，有一部分與結(jié)區(qū)的雜質(zhì)或缺陷相結(jié)合，最終也會變成熱。2、LED結(jié)溫產(chǎn)生的原因是什么？c、出光效率的限制是導(dǎo)致LED結(jié)溫升高的主要原因。目前，先進(jìn)的材料生長與元件制造工藝已能使LED極大多數(shù)輸入電能轉(zhuǎn)換成光輻射能，然而由于LED芯片材料與周圍介質(zhì)相比，具有大得多的折射系數(shù)，致使芯片內(nèi)部產(chǎn)生的極大部分光子(>90%)無法順利地溢出介面，而在芯片與介質(zhì)介面產(chǎn)生全反射，返回芯片內(nèi)部并通過多次內(nèi)部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動(dòng)的形式變成熱，促使結(jié)溫升高。d、LED元件的熱散失能力是決定結(jié)溫高低的又一關(guān)鍵條件。散熱能力強(qiáng)時(shí)，結(jié)溫下降，反之，散熱能力差時(shí)結(jié)溫將上升。由于環(huán)氧膠是低熱導(dǎo)材料，因此PN結(jié)處產(chǎn)生的熱量很難通過透明環(huán)氧向上散發(fā)到環(huán)境中去，大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層，PCB與熱沉向下發(fā)散。2.利用PWM控制的白光LED基本驅(qū)動(dòng)電路由開關(guān)變換器構(gòu)成的LED基本驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示電路采用PWM信號控制白光LED的亮度。在圖中，如果對IC的EN端子施加PWM信號，白光LED會以某種速度作ON/OFF模式運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LED亮度的控制。此電路中Tr1的輸出信號需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。LED的平均電流I(avg)可用下式計(jì)算:綜上所述，未來LED系統(tǒng)散熱可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究來提高大功率LED的散熱性能:

(2)選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MCPCB)、陶瓷、DBC、復(fù)合金屬基板等導(dǎo)熱性能好的襯底，以加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。通過優(yōu)化MCPCB板的熱設(shè)計(jì)、或?qū)⑻沾芍苯咏壎ㄔ诮饘倩迳闲纬山饘倩蜏責(zé)Y(jié)陶瓷(LTCC—M)基板，可獲得熱導(dǎo)性能好、熱膨脹系數(shù)小的襯底;

(3)為了使襯底上的熱量更迅速地?cái)U(kuò)散到周圍環(huán)境，目前通常選用鋁、銅等導(dǎo)熱性能好的金屬材料作為散熱器，再加裝風(fēng)扇和回路熱管等強(qiáng)制制冷。同時(shí)還可以考慮其他一些有效的新型冷卻方式;

(4)對于大功率LED器件而言，其總熱阻是PN結(jié)到外界環(huán)境熱路上幾個(gè)熱沉的熱阻之和，其中包括LED本身的內(nèi)部熱沉熱阻、內(nèi)部熱沉到PCB板之間的導(dǎo)熱膠的熱阻、PCB板與外部熱沉之間的導(dǎo)熱膠的熱阻、外部熱沉的熱阻等，傳熱回路中的每一個(gè)熱沉都會對傳熱造成一定的阻礙。因此，減少內(nèi)部熱沉數(shù)量，并采用薄膜工藝將必不可少的接口電極熱沉、絕緣層直接制作在金屬散熱器上，能夠大幅度降低總熱阻。3-３

加工工藝

選用的材料不一樣,相應(yīng)的制程也有所去別;下面以選用鋁材為例:1．鋁擠壓技術(shù)(Extruded)

鋁擠壓技術(shù)簡單的說就是將鋁錠高溫加熱至約

520~540℃，在高壓下讓鋁液流經(jīng)具有溝槽的擠型模具，作出散熱片初胚，然再對散熱片初胚進(jìn)行裁剪、剖溝等處理后就做成了我們常見到的散熱片。鋁擠壓技術(shù)較易實(shí)現(xiàn)，且設(shè)備成本相對較低，也使其在前些年的低端市場得到廣泛的應(yīng)用。一般常用的鋁擠型材料為

AA6063，其具有良好熱傳導(dǎo)率(約160~180W/m.K)與加工性。不過由于受到本身材質(zhì)的限制散熱鰭片的厚度和長度之比不能超過1：18，所以在有限的空間內(nèi)很難提高散熱面積，故鋁擠散熱片散熱效果比較差；注：鋁擠在做PAR燈和其它燈時(shí)往往要在加工;工藝一般是:鋁擠──裁切──車銷──清洗──陽極(或它表面處理

)缺點(diǎn):后加工較麻煩,特別是車銷,因燈是圓的,所以在加工質(zhì)量較難控制;優(yōu)點(diǎn):模具簡單;一個(gè)鋁擠?？梢越?jīng)后加工出多款產(chǎn)品;鋁壓鑄技術(shù)通過將鋁錠（純度92%左右）和合金材料熔解成液態(tài)后，填充入金屬模型內(nèi)，利用壓鑄機(jī)直接壓鑄成型，制成散熱片，采用壓注法可以將鰭片做成多種立體形狀，散熱片可依需求作成復(fù)雜形狀，亦可配合風(fēng)扇及氣流方向作出具有導(dǎo)流效果的散熱片，形狀可設(shè)計(jì)成像玩具那樣，造型各異，方便各種方向連接，另外，它硬度強(qiáng)度較高，同時(shí)可以與鋅混合成鋅鋁合金。

且能做出薄且密的鰭片來增加散熱面積，因工藝簡單而被廣泛采用。一般常用的壓鑄型鋁合金為ADC12，由于壓鑄成型性良好，適用于做薄鑄件，但因熱傳導(dǎo)率較差(約96W/m.K)，現(xiàn)在國內(nèi)多以AA1070鋁料來做為壓鑄材料，其熱傳導(dǎo)率高達(dá)200W/m.K

左右，具有良好的散熱效果。不過，以AA1070鋁合金壓鑄散熱器存在著一些其自身無法克服的先天不足：壓鑄時(shí)表面流紋及氧化渣過多，會降低熱傳效果。冷卻時(shí)內(nèi)部微縮孔偏高，實(shí)質(zhì)熱傳導(dǎo)率降低(K<200W/m.K)。模具易受侵蝕，致壽命較短。成型性差，不適合薄鑄件。材質(zhì)較軟，容易變型２．壓鑄鋁成型工藝分：

工藝一般是：壓鑄成型───粗拋光去合模余料