來源：羅姆半導體社區(qū)

相對傳統(tǒng)光源，LED具有的技術優(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，大功率LED只能將約15%的輸入功率轉化為光能，而其余85%轉化成了熱能。而散熱不良將導致芯片加速老化，減少LED壽命。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。所以，LED芯片散熱問題成了LED技術應用的障礙。

一、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。隨著芯片結溫的升高，芯片的發(fā)光效率也會隨之降低，芯片結溫越高，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的工作結溫在允許溫度范圍內(nèi)。散熱能力越強，結溫越低。熱能需要通過熱傳導、熱對流、熱輻射才能散發(fā)。正因為LED光源自身沒有紅外線、紫外線，因此LED光源自身沒有輻射散熱功能，LED照明燈具的散熱途徑只能通過與LED燈珠板密切組合的散熱器來導出熱量。只有盡快導出熱量才能有效降低LED燈具內(nèi)的腔體溫度，才能保護電源不在持久的高溫環(huán)境下工作，才能避免LED光源因長期高溫工作而發(fā)生早衰。

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；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)。

二、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，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。LED作為半導體器件，主要以結溫和內(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)結構的出現(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。通常選用導熱膠、導電型銀漿和錫漿這三種材料進行粘貼。導熱膠導熱特性較差，導電型銀漿既有良好的導熱特性，又有較好的粘貼強度。但由于銀漿在提升高度的同時會發(fā)熱，且含鉛等有毒金屬，因此并不是粘貼材料的最佳選擇。與前兩者相比，導電型錫漿的導熱特性是三種材料中最優(yōu)的，導電性能也非常優(yōu)越。近年來封裝結構良好的功率型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，無論使用何種表面材料(輻射率最高為接近于1)，輻射散熱在相對好的自然散熱模組中最大不會超過總換熱量的10%左右，且技術相對單一且成熟，在此不討論。

從理論上講，如果使用每顆功率較低的分散LED且每顆LED熱沉的散熱面積足夠大，則LED照明系統(tǒng)的散熱就不成為技術問題。但由此會產(chǎn)生LED的重量、配光、造型等各方面的實際問題，因此，對于超大功率LED(尤其是聚光燈、工礦燈及大功率路燈)，散熱就成為了LED照明系統(tǒng)的主要技術問題。

當不考慮LED內(nèi)部熱阻時，一個有效的LED外部散熱器(或稱散熱模組)需要解決三個層次的傳熱問題：一是要將大功率集中發(fā)熱體(高熱流密度)的熱量通過基座低熱阻有效吸收與擴散形成相對低熱流密度的熱量；二是將相對低熱流密度的熱量能盡可能有效地傳輸?shù)缴崮＝M的本體，使得本體表面溫度盡可能均勻一致(使得翅片效率接近于1)；三是散熱模組的自然空氣對流散熱要優(yōu)化。

針對第一個傳熱問題，傳統(tǒng)上低熱阻有效吸收與擴散高熱流密度發(fā)熱體熱量的最簡單方法就是利用高導熱材料如銅、鋁材料做基材(支架或熱沉基座)，但當熱流密度較高時，發(fā)熱體中心熱量還是很難有效擴散開來，造成中心部溫度過高。對于超大功率的集成LED光源，傳統(tǒng)的金屬導熱無法解決其中心溫度過高的難題。

針對第二個傳熱問題，目前最通常的辦法是采用鋁翅片來實現(xiàn)模組本體內(nèi)部的導熱。很顯然，為了達到翅片有效導熱(高翅片效率)，鋁翅片的厚度要求厚，使得高度受到很大的限制(過高翅片效率降低)，造成散熱模組的重量大，單位重量的散熱量小，最關鍵的是無法解決集成光源中心部位溫度過高的難題。因此，近年來發(fā)展出了VC(蒸汽腔，又名均溫板，最初主要用于CPU的散熱)、微槽群蒸發(fā)器、熱柱等來替代支架、熱沉本體導熱的相變技術及其功能性傳熱器件。針對第三個問題，目前對于全翅片式散熱器(主要用于分散光源)，可采用小模塊組合式解決整體式模組中心部位散熱不利的問題。而用于超大功率或者集中光源的散熱模組，目前采用VC、微槽群蒸發(fā)器、熱柱等散熱模組都沒有或者很難實現(xiàn)理想的空氣對流模式。

審核編輯黃昊宇