孫 魯，陳凱，楊志豪，李 蘊(yùn)，黃昊培

（國(guó)家半導(dǎo)體光電產(chǎn)品檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東 江門(mén) 529000）

目前隨著能源危機(jī)問(wèn)題的加劇，基于白光LED的照明技術(shù)受到越來(lái)越多的重視，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，正在逐步取代傳統(tǒng)光源[1]。LED照明與傳統(tǒng)光源所不同的是，LED芯片不能通過(guò)熱輻射的方式把在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。另一方面，LED芯片的壽命、光通量、色坐標(biāo)等參數(shù)都與其工作溫度息息相關(guān)，因此熱管理是LED照明技術(shù)中一個(gè)十分重要的議題。本文將介紹LED熱管理技術(shù)的主要內(nèi)容，并對(duì)熱管理技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)提出建議。

LED照明技術(shù)作為一種半導(dǎo)體固態(tài)照明技術(shù)，其核心是基于GaN材料的藍(lán)光LED芯片，LED芯片在工作時(shí)，由于芯片中存在大量的非輻射復(fù)合中心等原因，導(dǎo)致了輸入LED的能量中相當(dāng)大一部分轉(zhuǎn)化為熱能，一般認(rèn)為，LED芯片所輸入的能量中大約70%左右在工作是轉(zhuǎn)化為熱能[2]。如此大量的熱能如果不能順利傳導(dǎo)出來(lái)，將導(dǎo)致LED芯片的結(jié)溫迅速升高，大大降低LED芯片的使用壽命、光通量等性能指標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀LED芯片。

目前在LED照明應(yīng)用中，從節(jié)約LED芯片成本方面來(lái)考慮，人們往往會(huì)通過(guò)加大LED的驅(qū)動(dòng)電流的方式來(lái)提高光源的總光通量，而在大電流下工作的大功率LED芯片，發(fā)熱量也會(huì)大大增加。在這種情況下，LED芯片的熱管理就顯得尤為重要。

1 LED照明系統(tǒng)中的熱傳遞

熱阻R是評(píng)價(jià)材料導(dǎo)熱性能的物理量，a、b兩點(diǎn)之間的熱阻Ra-b的定義為[3]：

其中Ta為a點(diǎn)的溫度，單位為℃，Tb為b點(diǎn)的溫度，單位為℃，Pt為耗散的熱功率，單位為W。從公式（1）可以看出來(lái)，在相同的熱耗散功率下，如果兩點(diǎn)之間的熱阻越小，溫差就越小。

眾所周知，熱傳遞的方式有3種：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。LED照明系統(tǒng)熱管理所需要解決的問(wèn)題主要包括了如何通過(guò)傳導(dǎo)方式將芯片產(chǎn)生的熱傳遞到周?chē)纳峤Y(jié)構(gòu)，再通過(guò)對(duì)流方式和輻射方式將熱傳遞到周?chē)目諝庵?，最終完成整個(gè)散熱過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，如何將整個(gè)熱傳遞通道中的熱阻降到最低，是提高整個(gè)系統(tǒng)的熱性能的核心問(wèn)題。

2 熱管理優(yōu)化

2.1 熱傳導(dǎo)及其優(yōu)化

熱傳導(dǎo)是在兩個(gè)直接接觸的固體直接發(fā)生的熱傳遞過(guò)程。LED芯片產(chǎn)生的大量熱量首先要通過(guò)熱傳導(dǎo)方式帶到芯片周?chē)纳峤Y(jié)構(gòu)，因此要使用熱的良導(dǎo)體來(lái)制作散熱結(jié)

其中k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位是W/mK，A為熱傳導(dǎo)材料的截面積，單位為m2，ΔT為材料兩端的溫差，單位為K，Δx為熱傳導(dǎo)的距離，單位為m。從公式（2）可以看出來(lái)，要想改善熱傳導(dǎo)的效果，可以通過(guò)加大導(dǎo)熱材料的截面積，縮短熱傳導(dǎo)的距離，并使用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料。另一方面，由于在熱傳導(dǎo)中的熱通路中存在許多界面，如何利用良好的熱界面材料來(lái)改善界面的導(dǎo)熱情況也非常重要。

在實(shí)際應(yīng)用中，大功率LED芯片所產(chǎn)生的熱首先要通過(guò)LED芯片封裝結(jié)構(gòu)傳遞出來(lái)，如何在LED芯片與外界之間建立一條良好的導(dǎo)熱通道是十分關(guān)鍵的。傳統(tǒng)的LED芯片封裝為正裝方式，該方式是通過(guò)藍(lán)寶石襯底將LED結(jié)處的熱量傳遞出來(lái)，而藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱系數(shù)僅為42 W/mK，不利于芯片的散熱。最近人們發(fā)展了倒裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)的LED封裝方式來(lái)改進(jìn)熱傳導(dǎo)。倒裝結(jié)構(gòu)LED是通過(guò)共晶焊技術(shù)將LED芯片倒裝到具有更高導(dǎo)熱系數(shù)的硅襯底上（導(dǎo)熱系數(shù)約120 W/mK）[5]，從而保證LED產(chǎn)生的熱量能夠迅速地傳遞出來(lái)。垂直結(jié)構(gòu)LED通過(guò)激光剝離等工藝將GaN外延層轉(zhuǎn)移至硅、銅等高導(dǎo)熱系數(shù)的襯底上[6]，從而大大改善散熱效果，以銅基板為例，銅的導(dǎo)熱系數(shù)在400 W/mK左右。

在上面提到的正裝、垂直結(jié)構(gòu)和倒裝結(jié)構(gòu)等封裝方式中，都會(huì)涉及到如何利用熱界面材料將芯片固定的問(wèn)題。另外，在印刷電路板和散熱片之間也需要熱界面材料來(lái)填充微小的空氣間隙。常用的熱界面材料有導(dǎo)熱膠、相變材料、導(dǎo)熱彈性體和低熔點(diǎn)合金等，例如導(dǎo)電銀漿、導(dǎo)熱錫膏、共晶焊合金等。碳納米管具有非常優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)6 600 W/mK[7]，可以作為未來(lái)LED應(yīng)用中的熱界面材料，但是存在工藝復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。

2.2 熱對(duì)流及其優(yōu)化

熱對(duì)流是指通過(guò)液體或氣體的流動(dòng)將熱量帶走的熱傳遞方式。對(duì)于LED照明系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通常利用熱對(duì)流方式將散熱片的熱量散發(fā)到周?chē)目諝庵?。?duì)流有自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種方式，下式中給出了在對(duì)流方式中所散發(fā)的熱量Qconv（W）[8]：

其中h為熱傳遞系數(shù)，單位為W/m2K，A為散熱片的表面積，單位為m2，ΔT為散熱片與周?chē)橘|(zhì)之間的溫差，單位為K。對(duì)于不同的對(duì)流散熱技術(shù)，熱傳遞系數(shù)的差距很大，強(qiáng)制水冷對(duì)流的熱傳遞系數(shù)可以高達(dá)10 000 W/m2K，而空氣自然對(duì)流的熱傳遞系數(shù)一般認(rèn)為大約為10 W/m2K。散熱片的使用中，散熱片的熱對(duì)流能力和具體擺放方式有密切的關(guān)系。

除了自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流外，還可以采用熱管技術(shù)來(lái)改善系統(tǒng)的散熱能力[9]。在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，甚至可以使用水冷方式來(lái)達(dá)到良好的散熱效果。具體散熱方式的選擇，不構(gòu)。人們使用導(dǎo)熱系數(shù)k來(lái)衡量材料的導(dǎo)熱能力。通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞的熱量 Qcond（W）由下式給出[4]：僅僅與散熱效果有關(guān)，更多得是決定于成本、可靠性、噪音等因素的考慮。

2.3 熱輻射及其優(yōu)化

熱輻射是熱量傳遞的第3種方式，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，一般的熱輻射主要靠波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)傳播。通過(guò)熱輻射傳遞的熱量Qrad（W）由下式來(lái)確定[10]：

其中ε為物體表面的發(fā)射率，無(wú)量綱，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，數(shù)值為5.67×10-8W/m2K4，A為散熱表面的面積，單位為m2，Ts為散熱材料表面的溫度，單位為K，Tf為周?chē)橘|(zhì)的流體溫度，通常是指周?chē)諝獾臏囟?，單位為K。在其他條件都確定的情況，可以通過(guò)提高散熱片表面的發(fā)射率來(lái)改善散熱效果。以鋁散熱片為例，使用陽(yáng)極氧化工藝來(lái)進(jìn)行表面處理后可以增強(qiáng)其表面發(fā)射率，從而改善散熱效果[11]。對(duì)于散熱片的設(shè)計(jì)，可以使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)來(lái)進(jìn)行仿真[12]，以得到更精確的設(shè)計(jì)結(jié)果，加快設(shè)計(jì)進(jìn)度。

3 熱管理設(shè)計(jì)實(shí)例

假設(shè)LED燈具的發(fā)熱量為100 W，LED散熱底座的溫度為55℃，周?chē)沫h(huán)境溫度最高為35℃，根據(jù)公式（2）可知，如果取空氣自然對(duì)流的熱傳遞系數(shù)為10 W/m2K，在不考慮熱輻射的情況下，所用散熱底座的面積應(yīng)該為：

為了保證照明燈具所使用的1W LED芯片達(dá)到50 000小時(shí)的壽命，希望將LED芯片的結(jié)溫控制在90℃，因此由LED芯片到LED散熱底座的熱阻不能超過(guò)（90-55）/1=35（℃/W）。熱阻的分配如下：由LED芯片到焊點(diǎn)的熱阻為8℃/W，焊點(diǎn)到散熱底座的熱阻必須控制在27℃/W，下一步根據(jù)所選擇的PCB板和熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)k、厚度和面積等參數(shù)，利用下面的公式：

來(lái)評(píng)估熱傳遞通路上的熱阻是否可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

在熱管理設(shè)計(jì)中，首先要了解整個(gè)熱通路中每個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻情況，繪出系統(tǒng)的熱阻示意圖，找出熱傳遞的瓶頸，然后進(jìn)行重點(diǎn)改進(jìn)。例如在熱界面材料的選擇上要多加注意，選用導(dǎo)熱性能不好的熱界面材料會(huì)使得整個(gè)設(shè)計(jì)前功盡棄。

在選擇好LED芯片的前提下，熱管理設(shè)計(jì)以預(yù)期芯片結(jié)溫和工作環(huán)境溫度作為設(shè)計(jì)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的熱通路上分配溫度梯度預(yù)算，并估算相應(yīng)的熱阻值，設(shè)計(jì)應(yīng)具有足夠的余量，可以在嚴(yán)酷的使用環(huán)境中保證結(jié)溫在預(yù)期范圍內(nèi)，從而保證LED芯片長(zhǎng)期工作的可靠性。在具體每個(gè)部分的設(shè)計(jì)中，要綜合利用3種熱傳遞方式。以散熱片的設(shè)計(jì)為例，首先要使用熱的良導(dǎo)體，充分利用熱傳導(dǎo)方式，另外要根據(jù)使用環(huán)境來(lái)精心設(shè)計(jì)散熱片的外形結(jié)構(gòu)，以最大限度地利用熱對(duì)流方式，最后還要盡可能提高散熱片表面的發(fā)射率，充分利用熱輻射方式來(lái)進(jìn)行散熱。

從以上的分析可以看出，大功率LED照明系統(tǒng)的熱管理設(shè)計(jì)是一個(gè)需要綜合考慮的工程問(wèn)題，必須要在系統(tǒng)級(jí)層次上進(jìn)行總體優(yōu)化，才能達(dá)到良好的散熱效果。

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