郭凌曦 左敦穩(wěn) 孫玉利 周 馳 方 鈺

(南京航空航天大學，江蘇南京 210016)

1 引言

LED與傳統(tǒng)照明燈具相比，具有體積小、低能耗、壽命長、外形靈活多變、穩(wěn)定性好等優(yōu)點［1，2］。目前，隨著LED行業(yè)的快速發(fā)展與制造技術的日漸成熟，LED的市場需求與日俱增，現(xiàn)階段LED發(fā)光效率已突破每瓦100lm W，取代高耗能的低效燈泡已經(jīng)成為一種趨勢［3］。LED的光電轉換效率大約只有20%～30%，也就是說，大約70%～80%的電能主要以非輻射復合發(fā)生的點振動的形式轉化為熱能［4］，隨著尺寸的減小以及功率的大幅提高，導致LED結溫居高不下，引起了光強降低、光譜偏移、色溫升高、熱應力增高、元器件加速老化等一系列問題，大大降低了LED的使用壽命［5］。美國半導體照明巨頭Cree公司在對結溫和光衰之間關系的研究中發(fā)現(xiàn)，如果以光衰至初始光輸出量的70%即L70［6］作為失效標準，當結溫溫度為65℃時，壽命可達到100000h［7］。研究表明，當溫度超過一定值時，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升［8］。如何提高LED照明燈具可靠的散熱性能已經(jīng)成為重要研究之一。本文在分析LED熱管理的研究基礎上，從LED襯底材料和散熱技術兩個方面，對LED散熱技術的國內外研究進展進行探討。

2 LED熱源及熱傳導

LED發(fā)光機理是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光，其光譜中不含紅外成分，因此，產(chǎn)生的熱量不能靠輻射發(fā)出，故LED是冷光源。下面對熱量的產(chǎn)生以及在系統(tǒng)內部的傳導進行探討。

LED的基本結構是一個半導體PN結，當電流通過PN結時，所加入的電能并沒有全部轉化為光能，大部分以熱能的形式留在PN結上，使PN結溫度上升，稱之為結溫［9］。對于LED的熱管理，主要分為熱量的導出和熱量的散發(fā)兩個部分，即導熱和散熱。一個典型的LED結構及其內部的熱量流向如圖1所示，其中Rj-sp為LED芯片到焊層的熱阻，Rsp-sub為焊層到襯底的熱阻，Rsub-Tim為襯底到熱界面材料的熱阻，RTim-hs為熱界面材料到熱沉的熱阻，Rhs-ap為熱沉到周圍環(huán)境的熱阻。LED芯片的結溫與內部各器件之間的熱阻有著直接關系，見以下公式:

式中，Tjunction為LED芯片的結溫，Tap為環(huán)境溫度，P為系統(tǒng)電能轉化為熱能后的功率 (輸入功率與光電轉換效率的乘積)。

由此可見，要想降低LED芯片的結溫，需要降低各個熱傳導環(huán)節(jié)的熱阻。

3 LED襯底材料

LED芯片是整個LED系統(tǒng)的核心工作部件，也是熱量產(chǎn)生的源頭，改進與芯片直接接觸的襯底是改善芯片散熱性能的主要方法，選擇襯底材料有以下 4 個基本原則［10，11］:

圖1 典型LED結構圖Fig.1 A typical structure of LED

①襯底與外延膜的結構匹配;②襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配;③襯底與外延膜的化學穩(wěn)定性匹配;④材料制備的難易程度及成本高低。

硅 (Si)是最早使用的襯底材料，具有成本低、導電導熱性好等優(yōu)點，但是由于其熱膨脹系數(shù)與芯片材料氮化鎵 (GaN)相差太大，容易產(chǎn)生龜裂［11］，郭倫春［12］等插入 AlAlN 緩沖層在 Si上生長GaN，獲得了裂紋密度小的GaN材料。國內南昌大學對以Si為襯底的GaN基藍光LED的出光效率、可靠性等方面的研究［13，14］取得了較大進展。藍寶石(Al2O3)是目前國內應用最廣泛的襯底材料，其成熟的技術彌補了性能上的不足。碳化硅 (SiC)雖然性能十分優(yōu)越，但是由于其高昂的成本，目前只有美國Cree公司制造以SiC為襯底的芯片。ZnO與SiC材料一樣具有一項其他襯底無法比擬的優(yōu)勢——同質外延，ZnO作為GaN外延襯底的致命缺點是容易被分解和腐蝕［11，12］。南京航空航天大學左敦穩(wěn)等發(fā)明了一種基于金剛石微觀圖形散熱的LED［15］，使PCB板的發(fā)熱面與金剛石襯底的底面相接觸，相接觸的一面上設有能提高散熱面積的微細結構，可提高LED顆粒的壽命15%以上。臺灣鉆石科技開發(fā)了鉆石島外延片 (Diamond Islands Wafer)［16］用來生產(chǎn)超級LED，采用類鉆碳鍍膜大大了改善散熱性能。王天虎等［17］設計了三種非等溫模型，進一步研究了LED芯片性能與襯底材料的關系。

4 LED的散熱技術

隨著多顆粒集成大功率LED的出現(xiàn)，LED本身的散熱性能已經(jīng)滿足不了整個系統(tǒng)的散熱，必須增加新的散熱手段，在LED裝置上使用翅片散熱器可以有效的降低LED工作溫度［18］?，F(xiàn)在也有將熱電制冷、熱管等技術應用到LED中去以提高LED的散熱性能。以下將介紹上述幾種散熱手段并對其優(yōu)缺點進行評估。

4.1 翅片散熱

所謂翅片是指依附于基礎表面上的擴展表面，可以有效的增加換熱面積［19］。銀的導熱性是金屬中最好的，但是其價格昂貴，鋁具有良好的導熱性，價格便宜且可加工性高，目前大部分散熱器采用鋁材料，有些散熱性能要求高的設備采用導熱性更好的銅材料，如電腦CPU［20］。目前出現(xiàn)了以銅為底板、鋁為翅片的銅鋁復合型散熱器，具有非常好的性能，張建臣等［21］用通過爆炸復合工藝［22］獲得的銅鋁復合散熱器與用螺絲釘連接的銅鋁復合散熱器進行了比較試驗，結果表明爆炸復合工藝可以獲得熱阻更小的散熱器。LED散熱能力的關鍵是散熱結構和散熱面積［23］。翅片的高度、寬度、厚度都影響著翅片的散熱性能［24］。J.Richard Culham 等［25］研究了翅片數(shù)量對散熱性能的影響，并且得出了最優(yōu)翅片數(shù)量，如圖2、圖3所示。Gaowei Xu等［26］對超級計算機上的小型散熱翅片進行了研究，結果表明翅片的厚度和間距影響著翅片散熱性能，對于小型散熱翅片，最優(yōu)翅片間距為0.5mm～2mm，最優(yōu)翅片厚度為0.1mm～1mm，可以作為設計小型散熱翅片的經(jīng)驗參數(shù)。李曄曄［27］通過實驗發(fā)現(xiàn)，隨著LED芯片之間距離的增大，散熱性能將會提高，但是到達一定程度后，變化緩慢。Ma，H.K.等［28］利用蜂巢結構結合煙囪效應，設計出一種重量僅為75～125g的蜂巢散熱片，能夠通過自然對流方式散熱，且?guī)缀醪挥绊懮嵝?，其典型結構如圖4所示?？傊岢崞脑O計，需要根據(jù)不同功率的LED的具體散熱需要來考慮翅片的總體結構、形狀、厚度、高度、寬度、片間間隙等參數(shù)。

4.2 熱電制冷

圖2 熵與翅片數(shù)量關系圖Fig.2 Relationship between entropy and number of fins

圖3 翅片數(shù)量對熱阻、壓降的影響Fig.3 The influence of number of fins on thermal resistance and pressure drop

圖4 一種典型的蜂巢式散熱結構Fig.4 A typical honeycomb heat dissipation structure

熱電制冷技術是利用半導體的帕爾貼效應進行制冷，當直流電通過不同半導體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，實現(xiàn)制冷目的，其工作原理如圖5所示。熱電制冷系統(tǒng)(TEC)反應靈敏，一般1min就達到最大溫差，使用閉環(huán)溫控電路控制，精度可達±0.1℃，體較小、質量輕、無噪音［29］。南京航空航天大學左敦穩(wěn)等發(fā)明了一種陣列LED等壽命散熱方法［30］，利用半導體制冷芯片對每個LED進行單獨冷卻，一個LED陣列中的各顆粒均可實現(xiàn)等壽命工作。田大壘等［31］對熱電系統(tǒng)輸入0.3A～0.7A的電流，降溫幅度達到了36.4% ～45.1%，降溫效果非常明顯。雖然熱電制冷系統(tǒng)冷端制冷效果很好，但是熱端的熱量散發(fā)問題對整個熱電系統(tǒng)的散熱性能影響很大［32］，因此一般在熱端加上散熱翅片，這種組合可以大大增加散熱效果［33］。Hun Sik，H.等［34］為熱電制冷系統(tǒng)設計了一種優(yōu)化散熱翅片，使熱阻降低了9%，對熱端的熱吸收率比一般的散熱翅片提高了27%左右。一般而言，熱源需要覆蓋半導體制冷片的面積只需要18%，就能達到較好的制冷效果［35］。Yi-Hsiang Cheng 等［36］利用genetic algorithm(GA)方法，可以根據(jù)熱端的熱阻，來計算得到最優(yōu)的半導體單元的長度、面積和數(shù)量，從而得到最大的制冷效果。

圖5 熱電制冷系統(tǒng)(TEC)原理圖Fig.5 The principle of the thermoelectric refrigeration system(TEC)

4.3 熱管散熱

熱管是60年代發(fā)展起來的具有高導熱性能的傳熱元件，不僅結構簡單，其導熱性能比銅棒還要優(yōu)秀［37］，具有“超導體”的美譽。熱管的工作原理如圖6所示，典型的熱管由管殼和吸液芯組成，熱管內工作介質在蒸發(fā)段吸熱產(chǎn)生相變蒸汽，以管內壓差為動力流向冷凝段，放熱冷凝成液體，吸附在吸液芯內，以吸液芯中的毛細力為動力回流至蒸發(fā)段，實現(xiàn)循環(huán)散熱。

圖6 熱管工作原理示意圖［38］Fig.6 Working principle of the heat pipe

傳統(tǒng)熱管汽液同道，彎曲將導致散熱性能劇降。脈動熱管是90年代初出現(xiàn)的一種新型熱管，可以如血脈一般較為隨意的彎曲，在小型設備的應用中有很大的前景［39］。Cotter在1984年首次提出了微型熱管［40］的概念，作為目前國際發(fā)展最快的熱管技術，管徑通?？蛇_到 1 ～2mm［41］。魯祥友等［42］提出了一種回路熱管，結構如圖7所示，熱管上端置有冷凝器，避免了汽液同道，結構緊湊且散熱性能較好。賈月等［43］設計了一種采用隧道式結構的熱管散熱基板，并通過實驗得出熱管傾斜角度對LED散熱的影響，與劉召軍等［44］的研究結果一致。平板熱管作為一種新型的熱管，具有高效率、均溫性、重量輕等優(yōu)點［45］。平板熱管一般由兩塊銅皮封裝而成，內部置有燒結而成的銅網(wǎng)作為吸液芯，使用時利用導熱膠粘貼在熱源表面，通過擴大散熱面積加強散熱。Tan［46］等經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)最佳單熱源位置為平板中心處，多熱源則需要布置在中心軸對稱處以取得最佳散熱效果。雖然平板熱管散熱性能好且結構緊湊，但是需要擴大一個二維的散熱面，不適用于熱源面積本來就較大的集成大功率LED光源，因此，想要熱管應用于LED光源散熱，還需要將其結構在三維的空間層面上進行拓展，實現(xiàn)匯源分離的遠端散熱模式。

圖7 回路熱管結構示意圖Fig.7 Structure of loop heat pipe

4.4 其他散熱技術

利用壓電風扇和散熱翅片的組合，體積小、質量輕、成本低，可以有效的控制LED的溫度［47］。Tolga Aqkahn等［48］提出將壓電風扇應用到LED散熱中去，并研究了風扇的振幅、與熱源之間的距離、葉片長度、共振頻率偏移等因素，其散熱效率為自然對流散熱的375% ，可使熱源降低 36.4℃。Hanguang Yu［49］將一個小型壓電風扇結合到熱電制冷系統(tǒng)的熱端，滿足了熱電制冷系統(tǒng)熱端的散熱需求，提高了制冷效率。Ma等［50］設計了一種小型液冷裝置并將其應用于大功率LED陣列，內部配置針狀翅片以增加與液體的換熱面積，液體流過LED下方以帶走熱量，研究發(fā)現(xiàn)，LED最大結溫隨液體流速增大而降低，但是該裝置會可能會導致LED陣列溫度不均勻，影響可靠性。羅小兵等［51，53］提出了一種封閉微噴射流冷卻系統(tǒng)，其工作原理如圖8所示，工作介質可根據(jù)LED芯片的功率大小選擇氣體或者液體，腔內流體在微泵作用下進入微噴器件下腔體，在系列微噴的壓力作用下，高速沖擊LED芯片基板下表面，產(chǎn)生強烈換熱效果，將熱量帶至翅片與風扇處進行循環(huán)散熱。

圖8 封閉微噴射流冷卻系統(tǒng)Fig.8 Enclosed micro jet cooling system

5 研究展望

隨著大功率集成LED的出現(xiàn)，LED的熱流密度越來越大，散熱問題成為了制肘LED發(fā)展的核心問題。目前市場上的LED產(chǎn)品基本都采用傳統(tǒng)的翅片散熱方法，雖然技術成熟、成本低、可靠性高，但是這種傳統(tǒng)的散熱手段已經(jīng)滿足不了大功率LED對散熱性能越來越高的需求。其他主動散熱技術都在實驗室研究階段，雖然展示出了優(yōu)良的散熱性能，但是成本高、可靠性不高，且都存在本質性的缺點，如風扇散熱的灰塵堆積、熱電制冷技術的高能耗等問題，而熱管技術以其獨特的優(yōu)點(無額外動力需求、技術成熟、散熱性能高等)被廣泛應用于航空、軍工、散熱器制造等領域，如何將熱管技術與其他散熱技術相結合并應用到LED領域中去，將成為今后研究的趨勢之一。

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