劉 波，鄭 偉，李海洋，朱欣贇，馬 超

(上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 201203)

引言

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)具有高光效、快啟動(dòng)、長(zhǎng)壽命、高可靠性和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已在照明和指示領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，被譽(yù)為新一代照明光源[1]。典型的單個(gè)LED芯片功率約為1 W，通常將數(shù)個(gè)乃至數(shù)百個(gè)芯片組成LED燈具，以滿足不同場(chǎng)合的照明需要。鑒于LED對(duì)人類(lèi)社會(huì)的貢獻(xiàn)，2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三位發(fā)明高效GaN藍(lán)光LED的科學(xué)家[2]。目前照明用LED電光轉(zhuǎn)化效率已超過(guò)40%[3]，其余的電能轉(zhuǎn)化成熱能。如果熱量不能及時(shí)散出，則芯片結(jié)溫升高，從而影響LED器件的工作性能，導(dǎo)致諸如波長(zhǎng)紅移、發(fā)光效率下降、發(fā)光強(qiáng)度降低、壽命縮短及色溫質(zhì)量下降等問(wèn)題。隨著單個(gè)LED芯片功率的不斷攀升，散熱問(wèn)題已成為制約其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸，因此LED器件的熱管理與熱分析測(cè)試是其封裝與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

本文綜述了LED熱管理與熱分析測(cè)試技術(shù)的研究進(jìn)展。首先介紹了LED熱量生成機(jī)理及相應(yīng)的抑制技術(shù)，隨后分析了LED結(jié)溫的測(cè)試方法和熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)分析的關(guān)鍵算法，并比較了不同方法的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，最后基于LED傳熱強(qiáng)化技術(shù)討論了LED熱分析與熱管理的發(fā)展趨勢(shì)。

1 LED芯片的熱生成與抑制技術(shù)

LED芯片是LED模塊中將電能轉(zhuǎn)化為光能的功能核心部件，其三種常見(jiàn)的架構(gòu)如圖1所示。LED發(fā)光過(guò)程也會(huì)伴隨產(chǎn)生熱量，包括電子和空穴復(fù)合過(guò)程中產(chǎn)生的非輻射熱、電子和空穴運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的焦耳熱[3]。此外部分光子在傳輸過(guò)程中被吸收而轉(zhuǎn)化成熱能。

圖1 三種LED芯片架構(gòu)示意圖①Fig.1 Structure of the three kinds of LED chip

1)非輻射復(fù)合。在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，電子和空穴相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在多量子阱中發(fā)生電子空穴對(duì)的復(fù)合。復(fù)合通過(guò)具體躍遷過(guò)程實(shí)現(xiàn)，根據(jù)躍遷中釋放或吸收能量和動(dòng)量的形式，可以分為輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合。電子和空穴發(fā)生輻射復(fù)合而發(fā)射出光子，實(shí)現(xiàn)電能向光能轉(zhuǎn)化，這是LED的工作機(jī)理。非輻射復(fù)合釋放的能量，如聲子，導(dǎo)致晶格原子振動(dòng)，產(chǎn)生熱量。研究表明，GaN材料與藍(lán)寶石襯底之間存在較大的晶格失配，導(dǎo)致LED外延層及有源發(fā)光區(qū)中存在較高濃度的非輻射復(fù)合缺陷。這些缺陷中心俘獲或釋放載流子，對(duì)LED電學(xué)和光學(xué)特性有重要影響，是LED結(jié)溫升高、性能老化的根源[4]。因而應(yīng)盡量減少產(chǎn)生非輻射復(fù)合中心的晶體缺陷及雜質(zhì)濃度，以減少非輻射復(fù)合過(guò)程[5]。

2)電流擁擠效應(yīng)。傳統(tǒng)的GaN基LED襯底一般采用絕緣藍(lán)寶石，其p型和n型接觸電極制作在外延片的同一側(cè)，見(jiàn)圖1(a)。由于n型GaN層的橫向電阻遠(yuǎn)比p型歐姆接觸層的電阻大，因而在實(shí)際器件內(nèi)部不同路徑上傳輸?shù)臋M向電流密度不同，導(dǎo)致靠近n型電極的臺(tái)面邊緣電流密度大于靠近p型電極焊盤(pán)的地方，即電流擁擠效應(yīng)，造成產(chǎn)生的熱量集中影響器件可靠性和發(fā)光性能[6]。對(duì)大面積大功率器件而言，電流擁擠會(huì)更嚴(yán)重。如何使電流均勻擴(kuò)展一直是國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的問(wèn)題，研究表明，電極結(jié)構(gòu)極大地影響著LED芯片的電流擴(kuò)展能力，因而優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，能夠緩解電流擁擠效應(yīng)[7]。在p電極歐姆接觸層的正下方制備結(jié)構(gòu)優(yōu)化的電流阻擋層，減小電流在電極正下方的聚集，也能有效改善電流擁擠效應(yīng)[8，9]。

3)電子溢出。由于p型GaN的空穴濃度以及空穴遷移率和n型GaN的電子相比差別很大，造成LED載流子注入不對(duì)稱(chēng)，注入到量子阱的部分電子會(huì)溢出至p區(qū)，使LED的效率大幅下降[10]。在發(fā)光復(fù)合區(qū)與p型GaN之間設(shè)置電子阻擋層，通過(guò)較寬的禁帶寬度，將電子阻擋在發(fā)光復(fù)合區(qū)的多量子阱內(nèi)，以克服大電流注入條件下，電子溢出導(dǎo)致的發(fā)光效率衰減等問(wèn)題[11]。對(duì)電子阻擋層的優(yōu)化能夠進(jìn)一步減少電子溢出[12]。

4)光線吸收。LED芯片的輻射光和熒光粉的激發(fā)光需要經(jīng)過(guò)芯片、熒光粉膠、封裝膠和透鏡等光學(xué)元件才能輻射到環(huán)境中去。材料吸收光線會(huì)生成熱量，熒光粉在光轉(zhuǎn)化過(guò)程中由于非輻射躍遷和Stokes損失也會(huì)生成熱量。有效的光學(xué)設(shè)計(jì)能減小光線在封裝材料中的傳播光程，是提高光效、減少熱量生成的關(guān)鍵。LED封裝模塊內(nèi)主要存在芯片-熒光粉膠和熒光粉膠-空氣2個(gè)容易發(fā)生全反射的光學(xué)界面。通常芯片的折射率為2.5，熒光粉膠的折射率在1.4～1.7之間，空氣的折射率為1，兩種材料折射率的差異導(dǎo)致光線從芯片傳至熒光粉膠或從熒光粉膠傳至空氣的過(guò)程中會(huì)在芯片-熒光粉膠或熒光粉膠-空氣界面發(fā)生全反射。發(fā)生全反射的光線在封裝材料中反復(fù)傳播，大部分被吸收轉(zhuǎn)化為熱量，不僅造成光效損失，更導(dǎo)致芯片溫度升高，造成芯片效率和熒光粉效率降低。芯片表面粗糙化或者圖案化[13]、襯底圖案化[14]和光子晶體[15]能夠有效減少芯片-熒光粉膠界面的全反射。為減少熒光粉膠-空氣界面的全反射，可以采取提高封裝材料透光率[16]、改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)[17]、使封裝基板和熒光粉膠出光面粗化或圖案化[18]、摻雜高散射性微納顆粒[19]、以及增大熒光粉膠與基板的接觸角[20]等措施。

2 LED結(jié)溫測(cè)試與熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)

對(duì)LED的結(jié)溫和熱阻進(jìn)行精確測(cè)試是完善LED性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的必要條件，也是有效熱管理的前提。目前LED結(jié)溫和熱阻的測(cè)試方法較多，可分為接觸式和非接觸式。各種測(cè)量方法都存在一定的使用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，部分測(cè)量方法對(duì)儀器的要求較為嚴(yán)苛，能滿足測(cè)試精度要求的多以少數(shù)國(guó)外儀器為主。對(duì)各種測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比分析，有利于完善我國(guó)LED熱性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，有利于開(kāi)發(fā)滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的國(guó)產(chǎn)測(cè)試儀器。

2.1 接觸式測(cè)量方法

接觸式測(cè)量是指測(cè)量過(guò)程中需要接觸LED引腳的一種測(cè)量方法，包括電學(xué)參數(shù)法和管腳溫度法。LED電輸運(yùn)的溫度效應(yīng)表明，在恒定電流驅(qū)動(dòng)下，LED的正向電壓降VF與pn結(jié)溫度具有良好的線性關(guān)系：

(1)

式中VF(T2)和VF(T1)分別為結(jié)溫T2和T1時(shí)的正向電壓降，K為電壓溫度敏感系數(shù)。JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)JESD 51-1集成電路熱測(cè)量方法，即電氣測(cè)試方法中對(duì)K系數(shù)的標(biāo)定過(guò)程和注意事項(xiàng)做了詳盡規(guī)范[21]，本文不再贅述。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究院NIST提出在K系數(shù)標(biāo)定時(shí)，選用幅度與額定電流相等的方波脈沖測(cè)試電流，在不同熱沉溫度下測(cè)得正向電壓降VF，從而得到電壓溫敏系數(shù)的方法[22]。采用這種脈沖電流法測(cè)量結(jié)溫時(shí)，脈寬必須小于十幾微秒，才能使結(jié)溫誤差小于1 ℃[23]。

LED的熱阻是指LED點(diǎn)亮后達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，單位熱功耗下pn結(jié)與連接支架或鋁基板間的溫差：

(2)

式中，Rθjx為pn結(jié)到參考位置的熱阻，Tj為結(jié)溫，Tx為參考點(diǎn)溫度，熱功耗Pj為輸入電功率與實(shí)際光功率的差值。由LED每層部件熱阻構(gòu)成的熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。通常選擇LED封裝殼溫Tc作為參考溫度，但由于與熱沉接觸的封裝外殼溫度分布不均勻，因而不同測(cè)試裝置使用熱電偶測(cè)得的Tc往往存在偏差。鑒于此，標(biāo)準(zhǔn)JESD 51-14提出了一維傳熱路徑下半導(dǎo)體器件結(jié)殼熱阻瞬態(tài)雙界面測(cè)試方法，消除了殼溫測(cè)量產(chǎn)生的誤差[24]。

圖2 LED的熱阻網(wǎng)絡(luò)示意圖[4]Fig.2 Thermal resistance of LED

與LED封裝器件的整體熱阻相比，每一層結(jié)構(gòu)的熱阻和熱容更有助于分析和優(yōu)化器件的散熱性能。LED的熱模型可以等效為一個(gè)熱阻Rth和熱容Cth的并聯(lián)形式，根據(jù)電熱比擬理論，可變換為一個(gè)等效電阻R和電容C的并聯(lián)電路。一個(gè)n階RC網(wǎng)絡(luò)如圖3(a)所示，即FOSTER網(wǎng)絡(luò)模型。如果給模型一個(gè)ΔPH的加熱功率，則溫度的響應(yīng)函數(shù)為：

(3)

式中，t為響應(yīng)時(shí)間；τi=Rthi·Cthi，為模型的時(shí)間常數(shù)。

圖3 RC單端的標(biāo)準(zhǔn)模型[24]Fig.3 Standard model of RC

由于FOSTER模型與實(shí)際系統(tǒng)不符，需要將其進(jìn)行熱路變換得到反映器件內(nèi)部傳熱結(jié)構(gòu)的CAUER模型[圖3(b)]。對(duì)于實(shí)際的傳輸型RC系統(tǒng)可以認(rèn)為由無(wú)數(shù)多個(gè)RC模型組成，式(3)中的求和形式相應(yīng)地替換為積分形式，并假設(shè)ΔPH為1 W，則器件的溫度響應(yīng)可表示為：

(4)

式中R(τ)為時(shí)間常數(shù)譜。令z=lnt，則式(4)可改寫(xiě)為卷積形式：

?w(z)

(5)

式中，?為卷積算子，w(z)=exp[z-exp(z)]。因而R(z)可由da(z)/dz和w(z)的反卷積計(jì)算得到。

將時(shí)間常數(shù)譜R(z)分割成許多個(gè)寬度為Δz的片段，每個(gè)片段對(duì)應(yīng)一個(gè)并聯(lián)RC電路，構(gòu)建FOSTER網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)FOSTER-CAUER轉(zhuǎn)換計(jì)算得出CAUER網(wǎng)絡(luò)模型，將模型中的累積熱容對(duì)累積熱阻作圖和求微分，即可得到器件近似的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)。

在求解結(jié)構(gòu)函數(shù)的過(guò)程中，反卷積和網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵算法。JESD 51-14提供了通過(guò)傅里葉逆變換求解反卷積和FOSTER-CAUER模型變換的計(jì)算方法[24]。Lai等[25]選用貝葉斯反卷積求LED熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)，并通過(guò)模型和試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了該方法的有效性。反卷積的計(jì)算結(jié)果對(duì)輸入數(shù)據(jù)的信噪比非常敏感，導(dǎo)致解的相對(duì)誤差大；且在網(wǎng)絡(luò)模型變換過(guò)程中，時(shí)間常數(shù)τ跨度從微秒量級(jí)到數(shù)百秒，對(duì)數(shù)值精度要求較高，需要特殊的算法才能完成網(wǎng)絡(luò)變換。高亞楠等[26]提出采用曲線正向擬合的方法處理LED瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線，由此計(jì)算熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)，此方法具有計(jì)算步驟簡(jiǎn)單、運(yùn)算量小的優(yōu)點(diǎn)，并顯示出良好的提取還原能力。楊連喬等[27]在原始數(shù)據(jù)理論數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上采用最小二乘法擬合進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑，該方法省去了測(cè)試數(shù)據(jù)因寄生誤差而必須的擬合操作，且能對(duì)含噪瞬態(tài)響應(yīng)曲線進(jìn)行平滑，實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析表明該方法具有一定的優(yōu)越性。

由于LED中的熱量大部分產(chǎn)生于芯片，監(jiān)測(cè)和降低芯片結(jié)溫成為研究者進(jìn)行LED散熱設(shè)計(jì)的首要目的。然而，Luo等[28]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在大功率輸入下，熒光粉溫度遠(yuǎn)高于芯片結(jié)溫從而導(dǎo)致熒光粉碳化，這是由于熒光粉顆粒彌散在導(dǎo)熱系數(shù)很低的樹(shù)脂和硅膠等聚合物中，其產(chǎn)生的熱量很難傳遞出去。Ma等[29]在熒光粉光致發(fā)熱基礎(chǔ)上建立了熒光粉光熱耦合模型，以預(yù)測(cè)不同封裝結(jié)構(gòu)LED的熒光粉溫度。

2.2 非接觸式測(cè)量法

非接觸式測(cè)量法是指不需要接觸LED引腳的測(cè)量，其測(cè)溫原理分為兩類(lèi)：一類(lèi)是利用熱成像技術(shù)直接測(cè)溫，如顯微紅外熱成像法；另一類(lèi)是根據(jù)LED結(jié)溫與光譜之間的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量光譜特性來(lái)求結(jié)溫，如峰值波長(zhǎng)法和白藍(lán)比法。

紅外熱成像法基于紅外輻射原理，利用紅外熱像儀測(cè)量LED器件的溫度分布，并把芯片表面的最高溫度作為結(jié)溫。紅外熱像法具有成像直觀、信息豐富的特點(diǎn)[30]。實(shí)際測(cè)量時(shí)，將被測(cè)LED置于密閉容器內(nèi)，僅被測(cè)面敞開(kāi)，點(diǎn)亮一段時(shí)間后，用紅外熱像儀掃描被測(cè)面，探測(cè)到的紅外輻射能被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大后以紅外熱圖像的形式顯示。根據(jù)采集時(shí)間的不同，還可獲得被測(cè)表面溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

紅外熱像法廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的熱特性分析。Aladov等[31]使用紅外顯微熱像儀研究了倒裝LED芯片的溫度分布和熱阻，從溫度分布情況驗(yàn)證了電流擁擠效應(yīng)。Shi等[32]使用紅外顯微熱像儀研究了GaN基藍(lán)色激光二極管溫度分布，并分析了高溫區(qū)產(chǎn)生的原因。遲雷等[33]針對(duì)GaN HEMT器件熱特性開(kāi)展了顯微紅外熱像法和電學(xué)法測(cè)試結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)兩者測(cè)試結(jié)果比較接近，但也存在一定的差異，這是由于顯微紅外熱像法能夠檢測(cè)芯片表面的最高溫度，而電學(xué)法是測(cè)量芯片的平均結(jié)溫。

峰值波長(zhǎng)法是利用LED發(fā)光機(jī)理中載流子帶間復(fù)合時(shí)，當(dāng)結(jié)溫升高，禁帶寬度變小，輻射峰值波長(zhǎng)變長(zhǎng)，顏色紅移的原理測(cè)量結(jié)溫的。美國(guó)照明研究中心的Hong等[34]對(duì)AlGaInP基紅光LED進(jìn)行光譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)，峰值波長(zhǎng)與結(jié)溫呈良好的線性關(guān)系。李松宇等[35]開(kāi)展了高壓LED的光譜特性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)峰值波長(zhǎng)仍然與結(jié)溫有良好的線性度，可作為結(jié)溫敏感參數(shù)。Choi等[36]也分析了照明LED的峰值波長(zhǎng)和結(jié)溫的線性關(guān)系。但由于LED光譜峰值波長(zhǎng)變化量通常非常小，因而峰值波長(zhǎng)法對(duì)設(shè)備精度要求極高，且并非所有LED的峰值波長(zhǎng)都與結(jié)溫呈線性關(guān)系，如GaN基藍(lán)光LED的峰值波長(zhǎng)隨結(jié)溫升高先減小后增大[37]。

藍(lán)白比法主要是根據(jù)InGaN藍(lán)光LED芯片發(fā)光與熒光粉發(fā)光隨溫度變化不一致，當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，藍(lán)光峰值波長(zhǎng)紅移，并降低了熒光粉轉(zhuǎn)化效率，使其發(fā)光減弱比藍(lán)光更為顯著，根據(jù)這一特性即可求得結(jié)溫。研究表明，GaN+YAG白光LED的總輻射功率與藍(lán)光區(qū)輻射功率的比值與結(jié)溫呈線性關(guān)系[37]。Ke等[38]研究含兩種熒光粉轉(zhuǎn)化的白光LED時(shí)發(fā)現(xiàn)，藍(lán)白比與結(jié)溫的線性度較差，因此提出用藍(lán)黃紅三色輻射功率之和與藍(lán)光輻射功率之比代替白藍(lán)比，建立了與結(jié)溫之間的線性關(guān)系，并將該方法應(yīng)用到多芯片陣列LED光源的測(cè)試上。

3 LED傳熱強(qiáng)化技術(shù)

LED器件內(nèi)部傳熱過(guò)程復(fù)雜，涉及擴(kuò)散熱阻、界面熱阻和環(huán)境熱阻，因此LED散熱設(shè)計(jì)需要根據(jù)不同熱阻的影響機(jī)理采取相應(yīng)的傳熱強(qiáng)化措施。

1)基于擴(kuò)散熱阻的傳熱強(qiáng)化。擴(kuò)散熱阻是由熱流傳導(dǎo)過(guò)程中熱導(dǎo)體橫截面積變化引起的，若熱源面積與散熱基板面積相等，則擴(kuò)散熱阻為零。由于LED不同部件之間尺寸跨度比較大，因而擴(kuò)散熱阻可占總熱阻的60% ～ 70%，是總熱阻的主要組成部分[3]。熱源和基板的尺寸差異是擴(kuò)散熱阻的主要影響因素，接觸面率增大有利于減小擴(kuò)散熱阻；芯片與基板的中心距對(duì)擴(kuò)散熱阻也有重要影響，對(duì)多芯片封裝LED而言，優(yōu)化熱源位置可獲得良好的溫度分布；但擴(kuò)散熱阻隨基板厚度的增加先減小后增大，即存在最優(yōu)基板厚度使擴(kuò)散熱阻最小[39]。

2)基于界面熱阻的傳熱強(qiáng)化。LED器件中不同部件之間通過(guò)很薄的一層熱界面材料粘合在一起，如導(dǎo)熱膠、導(dǎo)電銀漿和導(dǎo)電錫漿等。界面熱阻主要由2部分組成，熱界面材料厚度引起的體熱阻和不完全潤(rùn)濕產(chǎn)生空氣腔造成的熱阻[40]。因?yàn)長(zhǎng)ED封裝模塊中存在諸多界面，所以界面熱阻是LED熱阻的重要組成部分。為減小界面熱阻首先應(yīng)選用熱阻小的熱界面材料，熊旺等[41]采用熱阻分析儀測(cè)試了采用Sn20Au80共晶和銀膠芯片粘結(jié)LED的熱阻，發(fā)現(xiàn)Sn20Au80共晶的熱阻較銀膠小。在聚合物基體中添加高導(dǎo)熱性的金屬顆粒也能強(qiáng)化傳熱，減小界面熱阻。Anithambigai等[42]研究了聚合物基體熱界面材料中添加不同比例的鋁顆粒對(duì)LED結(jié)溫和熱阻的影響。Hashim等[43]研究了商用熱界面材料中添加不同粒徑的AlN和BN顆粒，通過(guò)優(yōu)化粒徑獲得了較低的結(jié)溫和熱阻。提高粘合過(guò)程的壓力，降低基板的表面粗糙度都能有效減少空氣腔的形成，從而減小界面熱阻。

3)基于環(huán)境熱阻的傳熱強(qiáng)化。熱量經(jīng)散熱設(shè)備最終傳遞到環(huán)境過(guò)程中的熱阻稱(chēng)為環(huán)境熱阻，其散熱方式可分為被動(dòng)散熱和主動(dòng)散熱。翅片是最廣泛使用的散熱設(shè)備，對(duì)翅片的高度、厚度及翅片間隔等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以使翅片有最佳的傳熱性能[44，45]。熱管作為一種先進(jìn)有效的散熱部件，常用于高熱流密度器件的散熱。梁鋒等[46]開(kāi)展了平板微熱管的傳熱特性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明所選用的平板微熱管具有良好的均溫性和快速啟動(dòng)性。Xu等[47]提出回路熱管采用Cu-Ni雙層吸液芯結(jié)構(gòu)，加快了啟動(dòng)速率，降低了散熱器的表面溫度。隨著LED集成度和功率的增加，單位面積上產(chǎn)生的熱量越來(lái)越多，因此需要主動(dòng)散熱，如強(qiáng)制空氣冷卻和液體冷卻，以達(dá)到散熱要求[48]。當(dāng)熱流密度極大時(shí)，應(yīng)當(dāng)多種傳熱強(qiáng)化措施組合使用，才能達(dá)到有效散熱的目的[46]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著LED芯片功率的不斷攀升，散熱問(wèn)題已成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸，因而LED器件的熱管理與熱分析測(cè)試技術(shù)成為其封裝與應(yīng)用的關(guān)鍵。本文綜述了LED熱生成與抑制、結(jié)溫測(cè)試與熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)以及傳熱強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展，主要得出以下結(jié)論：

1) LED發(fā)光過(guò)程也會(huì)伴隨熱量產(chǎn)生，減少非輻射復(fù)合、緩解電流擁擠、減少電子溢出以及合理的光學(xué)設(shè)計(jì)，有利于調(diào)節(jié)LED的溫度和光效。

2) 對(duì)LED結(jié)溫和熱阻進(jìn)行精確測(cè)試是有效熱管理的前提。電學(xué)參數(shù)法、顯微紅外熱成像法和峰值波長(zhǎng)法是結(jié)溫測(cè)試的常用方法。對(duì)結(jié)溫瞬態(tài)熱響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行反卷積和網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)換能夠得到LED的熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)，可用以分析熱阻構(gòu)成和封裝質(zhì)量。

3) 將LED的熱量傳遞到環(huán)境中去是熱設(shè)計(jì)的最終目的。優(yōu)化擴(kuò)散熱阻，采用高性能熱界面材料減少界面熱阻，基于翅片、熱管和小微通道技術(shù)強(qiáng)化散熱，以維持LED結(jié)溫在較低水平。

隨著LED向小型化、集成化、多芯片和大功率發(fā)展，現(xiàn)有的LED封裝技術(shù)也需要進(jìn)一步發(fā)展以適應(yīng)新的應(yīng)用需求。提升取光效率，減少傳播過(guò)程中光線被吸收，對(duì)提高LED的光熱性能至關(guān)重要。新型界面材料、新型材料制造的散熱器以及高效率的傳熱強(qiáng)化技術(shù)為L(zhǎng)ED散熱性能改善提供了可能。

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