詳解微熱管技術(shù)在LED散熱問題中的應用

　　相對傳統(tǒng)光源，LED具有的技術(shù)優(yōu)點還包括長壽命、響應快、潛在高光效、體積小以及窄光譜等優(yōu)點。但究其本質(zhì)，在這眾多的優(yōu)點中，潛在的高光效、體積小和窄光譜這三點最為關鍵，這使得LED有別于傳統(tǒng)光源，并拓寬了它在多種領域的應用。但是也正是由于其體積小、高光效的特點，使得LED仍存在應用的障礙——散熱問題。依照目前的半導體制造技術(shù)，大功率LED只能將約15%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，而其余85%轉(zhuǎn)化成了熱能。如果沒有良好的散熱方法，芯片的熱量散不出去，將使芯片失效。

　　散熱成LED開發(fā)必須解決難題

　　如果LED芯片的熱量不能散出去，會加速芯片的老化，還可能導致焊錫的融化，使芯片失效。

　　LED發(fā)光是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生的，其光譜中不含紅外光，LED的熱量不能靠輻射散出，因此LED被稱為冷光源。LED一般采用環(huán)氧樹脂封裝，環(huán)氧樹脂的導熱能力非常差，熱量只能靠芯片下面的引腳散出。傳統(tǒng)亮度的LED因為發(fā)光功率小，熱量也不大，故沒有散熱問題。而功率型LED用在照明上需要將多顆LED組成光源模塊以達到所需的光通量。對于大功率器件來說，其輸入功率≥1W，而芯片尺寸則為lmm×lmm～2.5mm×2.5mm之間，芯片的功率密度很大，因此必須在較小的LED封裝中處理極高的熱量。目前LED的取光效率僅能達到10%～20%，還有80%～90%的能量轉(zhuǎn)換成了熱能。如果LED芯片的熱量不能散出去，會加速芯片的老化，還可能導致焊錫的融化，使芯片失效，具體表現(xiàn)為：

　　一是發(fā)光強度降低。隨著芯片結(jié)溫的升高，芯片的發(fā)光效率也會隨之降低，芯片結(jié)溫越高，發(fā)光強度下降越快。

　　二是發(fā)光主波長偏移，致使光轉(zhuǎn)換效率下降。

　　三是加速LED的光衰，嚴重降低LED的壽命。

　　所以，功率型LED芯片散熱問題成為當前LED技術(shù)在照明工程中應用的障礙。

　　為保證功率型LED的正常工作，需通過有效的散熱設計，保證LED的工作結(jié)溫在允許溫度范圍內(nèi)。散熱能力越強，結(jié)溫越低。

　　LED照明系統(tǒng)的散熱問題主要有兩個方面：一是LED功率芯片內(nèi)的散熱(導熱)，涉及到器件的封裝技術(shù);二是LED功率芯片的外部散熱，主要涉及基板導熱、翅片散熱器及其與環(huán)境空氣的對流換熱。目前，在解決功率型LED照明系統(tǒng)的散熱問題上主要采用的方法有：調(diào)整LED的間距、自然對流散熱、加裝風扇或是水冷強制散熱、熱管和回路熱管散熱等。

　　在現(xiàn)今LED集成高密度，產(chǎn)熱量高熱流量的發(fā)展趨勢下，借助熱管的高效輸熱來實現(xiàn)快速散熱就變得非常必要。另外，現(xiàn)有散熱裝置強調(diào)熱傳導環(huán)節(jié)、忽視對流散熱環(huán)節(jié)，盡管眾多的廠家考慮了各種各樣的措施來改善熱傳導環(huán)節(jié)：如采用熱管、加導熱硅脂等，卻沒有意識到熱量最終還是要依靠燈具的外表面帶走，忽視了傳熱的均衡性，如果翅片的溫度分布嚴重不均勻，將會導致其中部分翅片(溫度較低的部分)效率大大降低。現(xiàn)有針對LED照明的散熱裝置仍局限于功率較低LED照明元件，并且效果不明顯，成本高，不易應用于實際生產(chǎn)。　　內(nèi)外部散熱相互作用決定LED散熱性能

　　用于加快芯片熱量散發(fā)的方法包括采用倒裝焊、使用導熱性能良好的粘接材料、使用散熱器等。

　　LED散熱技術(shù)主要包括兩個方面：一是LED功率芯片的內(nèi)部傳熱，涉及器件的封裝技術(shù)，因為封裝必然產(chǎn)生內(nèi)部熱阻，這個熱阻的大小決定了結(jié)溫與金屬底座(支架)的溫差(在給定功率條件下);二是LED功率芯片的外部散熱，也就是LED產(chǎn)生的熱最終必然要散發(fā)到空氣中去，需要基板導熱、翅片散熱器及其與環(huán)境空氣的對流換熱。外部散熱與內(nèi)部散熱相互作用決定了LED照明器具的散熱性能。

　　對于LED功率芯片的內(nèi)部傳熱，增強功率型LED散熱能力的核心目標是降低LED結(jié)溫，一般要控制在85℃以下。

　　LED功率芯片的內(nèi)部傳熱主要是從LED內(nèi)部熱阻計算入手來進一步探討和改進LED封裝技術(shù)。LED作為半導體器件，主要以結(jié)溫和內(nèi)部熱阻來體現(xiàn)它的熱學特性。

　　在LED芯片的制作與封裝方面，用于加快芯片熱量散發(fā)的方法包括采用倒裝焊、使用導熱性能良好的粘接材料、使用散熱器等。

　　倒裝焊芯片(flip-chip)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)很大提高了功率型LED的散熱能力和出光效率。

　　無論采用哪種焊接方式，芯片都需通過粘接材料粘接到金屬熱沉上，所以粘接材料不僅要熱導率更高，更要厚度小才能顯著降低倒裝焊LED的熱阻，提高器件的散熱能力。近年來封裝結(jié)構(gòu)良好的功率型LED元件，其總熱阻已經(jīng)降為6℃~10℃/W。

　　對于LED功率芯片的外部散熱，目前常用電子器件的散熱技術(shù)按從熱沉帶走熱量的方式分為自然風冷、強制風冷、強制液冷。

　　由于LED散熱的特殊性(高價值、維護成本高、工作時間長、防護等級高等)，目前LED通過熱沉散熱的主要方式最可靠的是自然風冷。但由于自然風冷的換熱系數(shù)較低，為了滿足大功率LED的散熱，通常只能通過加大與空氣換熱的熱沉表面積(翅片面積)來實現(xiàn)換熱量的提高。另外由于電子器件的溫度不高，無論