史上最全LED散热问题（一）

小泉泉
发布于 2014-08-11 #资讯/销售/外贸/展会直接看回复推送文章

　　LED的散热现在越来越为人们所重视，这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低10℃寿命会延长2倍。从CREE公司发布的光衰和结温的关系图(图1)中可以看出，结温假如能够控制在65°C，那么其光衰至70%的寿命可以高达10万小时!这是人们梦寐以求的寿命，可是真的可以实现吗?是的，只要能够认真地处理它的散热问题就有可能做到!遗憾的是，现在实际的LED灯的散热和这个要求相去甚远!以致LED灯具的寿命变成了一个影响其性能的主要问题，所以必须要认真对待!

图1.光衰和结温的关系

　　而且，结温不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率，例如Cree公司的XLamp7090XR-E的发光量和结温的关系如图2所示。

图2.结温和发光量的关系

　　假如以结温为25度时的发光为100%，那么结温上升至60度时，其发光量就只有90%;结温为100度时就下降到80%;140度就只有70%。可见改善散热，控制结温是十分重要的事。
　　除此以外LED的发热还会使得其光谱移动;色温升高;正向电流增大(恒压供电时);反向电流也增大;热应力增高;荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题，所以说，LED的散热是LED灯具的设计中最为重要的一个问题。

　　第一部分LED芯片的散热
　　一.结温是怎么产生的
　　LED发热的原因是因为所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化成为热能。LED的光效目前只有100lm/W，其电光转换效率大约只有20~30%左右。也就是说大约70%的电能都变成了热能。
　　具体来说，LED结温的产生是由于两个因素所引起的。
　　1.内部量子效率不高，也就是在电子和空穴复合时，并不能100%都产生光子，通常称为由“电流泄漏”而使PN区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率，也就是转化为热能，但这部分不占主要成分，因为现在内部光子效率已经接近90%。
　　2.内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，这部分是主要的，因为目前这种称为外部量子效率只有30%左右，大部分都转化为热量了。
　　虽然白炽灯的光效很低，只有15lm/W左右，但是它几乎将所有的电能都转化为光能而辐射出去，因为大部分的辐射能是红外线，所以光效很低，但是却免除了散热的问题。

　　二.LED芯片到底板的散热
　　LED芯片的特点是在极小的体积内产生极高的热量。而LED本身的热容量很小，所以必须以最快的速度把这些热量传导出去，否则就会产生很高的结温。为了尽可能地把热量引出到芯片外面，人们在LED的芯片结构上进行了很多改进。
　　为了改善LED芯片本身的散热，其最主要的改进就是采用导热更好的衬底材料。早期的LED只是采用Si硅作为衬底。后来就改为蓝宝石作为衬底。但是蓝宝石衬底的导热性能不是太好，(在100°C时约为25W/(m-K))，为了改善衬底的散热，Cree公司采用碳化硅硅衬底，它的导热性能(490W/(m-K))要比蓝宝石高将近20倍。而且蓝宝石要使用银胶固晶，而银胶的导热也很差。而碳化硅的唯一缺点是成本比较贵。目前只有Cree公司生产以碳化硅为衬底的LED。

图3.蓝宝石和碳化硅衬底的LED结构图

　　采用碳化硅作为基底以后，的确可以大为改善其散热，但是其成本过高，而且有专利保护。最近国内的厂商开始采用硅材料作为基底。因为硅材料的基底不受专利的限制。而且性能还优于蓝宝石。唯一的问题是GaN的膨胀系数和硅相差太大而容易发生龟裂，解决的方法是在中间加一层氮化铝(AlN)作缓冲。

　　LED芯片封装以后，从芯片到管脚的热阻就是在应用时最重要的一个热阻，一般来说,芯片的接面面积的大小是散热的关键，对于不同的额定功率，要求有相应大小的接面面积。也就表现为不同的热阻。几种类型的LED的热阻如下所示：

　　早期的LED芯片主要靠两根金属电极而引出到芯片外部，最典型的就是称为ф5或F5的草帽管，它的散热完全靠两根细细的金属导线引出去，所以散热效果很差，热阻很大，这也就是为什么这种草帽管的光衰很严重的原因。此外，封装时采用的材料也是一个很重要的问题。小功率LED通常采用环氧树脂作为封装材料，但是环氧树脂对400-459nm的光线吸收率高达45%，很容易由于长期吸收这种短波长光线以后产生的老化而使光衰严重，50%光衰的寿命不到1万小时。因而在大功率LED中必须采用硅胶作为封装材料。硅胶对同样波长光线的吸收率不到1%。从而可以把同样光衰的寿命延长到4万小时。
　　下面列出各家LED芯片公司所生产的各种型号LED的热阻