LED照明热管理关键技术分析
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LED散热问题是影响其寿命的重要因素，与传统光源一样，LED在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能 量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在PN结附近辐射出来的光还需经过芯片(chip)本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界(空气)。综合 电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光取出效率等，最终大概只有30%~40%的输入电能转化为光能，其余60%~70%的能量主要以非辐射复合发 生的点阵振动的形式转化热能。本文将围绕着碳复合功能材料在导热散热中的应用，以及胶粘贴片与共晶焊贴片的几种贴片工艺比较进行阐述，介绍当前热管理的几 种关键技术。 一、常用散热方式 提高 LED发光效率是业内研究的热点，其中从芯片角度提高外量子效率目前常用的途径有：生长分布布拉格反射层结构、制作透明衬底、衬底剥离技术、倒装芯片技 术、表面粗化技术、异形芯片技术、采用光子晶体结构等。目前，芯片即使光效达到200lm/W,外量子效率仍不高，原因在于散热管理尚未得到理想解决。 目前，由日本松下电工(Matsushita Electric Works Ltd)与美国加州大学圣塔芭芭拉分校(USCB)共同研究的计划，已开发出具有较高外部量子效率的发光二极管(LED)。 图1 USCB研究成果 根据热流定律，热传导方式的导热系数中通过材料的热流总量总是反比于材料的热阻。 增 大热传导的方法有：①增大芯片热传导系数;②增大焊料热传导系数;③减薄焊料厚度;④增大基板热传导系数。在管芯与透镜、热沉基板、金丝、热沉金属电路层 之间的对流中，管芯-热沉基板-散热器-热对流至空气、管芯-金丝-热沉金属电路层-散热器-热对流至空气、管芯-热沉金属电路层-散热器-热对流至空气 这三种方式是主要的散热途径，管芯-热沉金属电路层-散热器-热对流至空气是次要途径。 图2 封装件中热传导路径 对流传热是流体流动载热与热传导联合作用的结果，流体对壁面的热流密度因流动而增大。流动传热分为强制对流和自然对流两种。根据牛顿冷却定律： Q=A×α×(tW-t) 其中，Q热流量;A为散热面积，α为对流系数，为壁温(℃)，t为冷流体主体温度。由公式可推出，增大热对流方法有：1.增大散热面积;2.增大对流系数;3.增大温度差。 图3 两种散热方式的散热路径 二、封装热传导材料的研究进展 1.气相生长碳纤维(VGCF) VGCF是一种碳功能符合材料，制作方法是在载有铁镍催化剂的陶瓷基板上通入氢气和烃类气体混合物在1100℃下生长纤维状碳，再经过2600℃热处理。实验估计，在室温下这种材料的热导率可达到1260W/mK。 图4 气相生长碳纤维（VGCF）在电子显微镜下的形态 这种新型材料用作导热基板的可能性在于，VGCF浸入环氧树脂后，经过150℃热压成型，形成块状混合材料，其热导率可达到695W/mK，由此可开发出新的贴片工艺。 但VGCF存在的问题是，首先，由于它向异性的热传导特性，使其对其下的热沉热导率要求很高。其次，芯片与VGCF界面之间的热阻较大。最后，这种材料目前的价格较高，无益于LED灯具整体价格的降低。 2.碳纳米管(CNTs) CNTs 是由单层或多层石墨片曲卷而成的无缝纳米管状壳层结构，具有良好的热、电和力学性能。目前，通过理论计算和实验均已证明碳纳米管具有较高的热导率。 S.Berber与Y.K.Kwon等人利用分子动力学(MD)模拟计算出单壁碳纳米管(swNT)的室温热导率高达6600W/mK。Kim等人用实验 方法测出多壁碳纳米管(MWNT)的室温热导率达3000W/mK。 图5 碳纳米管（CNTs）在电子显微镜下的形态 CNTs用作导热基板的可能性在于，该材料可开发出新的贴片工艺。但由于其各项异性的热传导特性，对其下的热沉热导率要求很高。 3.碳泡沫材料 碳泡沫材料的制作方法是，将沥青放入真空室加温融化，同时输入高压氮气并升高温度，使沥青泡沫化。当沥青加热到800℃时发生硬化，再将气压、温度降至自然条件。通入氮气加热到1050℃进行热处理，加热到2800℃进行石墨化处理。 碳泡沫材料的性能优势在于，热导率的理论值大于2000W/mK，2002年实验值达到150W/mk，整体材料表面积大且重量轻。它所采用的散热原理是利用疏松多孔的结构，进行多孔热交换。 图6 电子显微镜下碳泡沫材料的多孔结构 三、贴片散热技术 贴片封装的芯片其散热主要依靠导热胶、环氧树脂、导电银胶等材料。其中，部分进口导电银胶的导热率可达到30W/mK。 图7 导电银胶结构示意图 图8 导热胶结构示意图 1.传统贴片工艺 传 统贴片工艺所使用的导热材料是导电银胶和导热胶，需要通过(手动)刺晶台或自动贴片机及烘箱烘干等工艺流程。这种工艺的有点在于设备价格经济，且工艺已较 为成熟、稳定，可批量大规模生产。但其缺点是对胶体的要求较高，需要过多的人工控制，且容易产生气泡，造成热阻较高。 图9 传统切片工艺中散热银胶的位置 2.共晶(钎)焊贴片 共 晶(钎)焊贴片采用金锡合金作为共晶焊料，金锡合金是以锡作为主要合金元素的金合金，其是一种低温焊料，可在氢气炉中不用钎剂进行钎接。这种贴片工艺使用 手动共晶焊台或自动共晶焊贴片机，热阻低，可靠性高，且电阻较低。但这种贴片工艺使用的设备较高，产能较低(3s/pcs)，对基板要求也较高，不利于批 量生产及成本的控制。 图10 金锡合金相图 3.热超声焊贴片 热超声 焊贴片的工作原理是向压紧的LED芯片和热沉施加超声波，产生的弹性振动破坏被焊件表面的氧化层并生热，与外部施加的热量一起使被焊件界面的未饱和原子键 相互键合，使芯片和热沉牢固地焊为一体。这种工艺的优点是热阻较小，可靠性高，电阻较低。但缺陷是设备昂贵，要求芯片及热沉都是特制的。 图11 焊接结构与过程 以上是几种散热技术的简介，除了在灯珠散热本身上需要下功夫，电源、整灯灯具的散热也将影响发光质量与发光寿命，因电源、整灯散热所涉及的原理、技术内容较多、范围很广，需要另文详述，本文在此暂不做具体介绍。（本文选自《半导体照明》杂志第39期）
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