LED固态照明的热处理技术解析

　　1、LED固态照明简述

　　LED固态照明是继白炽灯发明以来最重要的照明革命。由于半导体材料将电能直接转化为光，所以LED固态照明与传统照明光源最大的不同在于它的光线不是由热而发光，是真正意义上的绿色光源，具有寿命长、能耗低、发光效率高、稳定性好、无频闪、无红外和紫外线辐射等优点，并且发出的光色度纯。

　　LED固态照明的研究领域包括七个方面：基础结构、封装结构、寿命、量子效率、可靠性和可控性、降低成本。
　

　　2 LED固态照明的热问题及其影响

　　2.1 LED散热问题及其影响：为了适应通用照明的需要，固态照明光源迫切需要解决单个芯片散热问题，以及多芯或多个LED灯管集成组成的散热问题，其热聚效应及热阻过大，直接导致LED结温升高。据有关资料分析，大约70%的故障来自于LED的结温过高，并且在负载为额定功率一半的情况下，温度每升高20℃，故障率就上升1倍。

　　2.2 LED热的传导和疏散：LED固态照明光源需要解决如下几个环节的散热问题：芯片结到外延层；外延层到封装基板；封装基板到冷却装置。这三个环节构成固态照明光源热传导的通道，热传导的通道上任何薄弱环节的失败都会使LED光源毁于一旦。为了取得更好的导热效果，在三个环节上都需要采用热导系数高的材料。笔者重点论述热阻设计的第三个环节，即封装基板到冷却装置。

　　3 封装基板到冷却装置

　　3.1 大功率LED固体照明开发现状：单芯片W级功率LED现已达到1W、3W和5W。然而上大功率LED的发热量却比小功率LED高数十倍，而且温升还会使发光效率大幅降低，即使封装技术允许，热量低于LED芯片的接合温度却有可能超过容许值。因此低功率多芯片式多个LED组合成LED固体照明光源，在实际使用中更为普及，在散热问题上的处理相对较容易，例如松下公司推出的64只芯片组封装的大功率LED，日亚公司推出的多芯片组合的LED固体照明光源，其光通量可达600Lm。当输出光通量为1000Lm时，耗电量为30W，最大输入功率为50W，发光效率达33Lm/W。

　　传统的LED灯封装结构，一般用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上，由金丝线完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成，其热阻高达250℃~300℃。对于功率型LED芯片，可采用低阻率、高导热性的材料粘结芯片，在芯片下部加铜或铝等金属热沉，并采用半封装结构，加速散热降低热阻。

　　3.2 叠层结构LED固体照明设计：封装基板散热设计，首先要通过提高材料热导系数，降低热膨胀系数不匹配度来增强LED热处理性。其次要考虑散热通道及散热板的热容量，散热通道畅通、散热好、散热板热容量大、热传导性能好、热阻小，LED结升温就慢，对LED发光性能就有很好的保障，也就能实现多个LED集群式封装。

　　双面线路板两端焊接有金属散热板，LED芯片直接焊装在散热金属板上，再通过金丝焊线，连接另一端的金属散热板。金属散热板既是LED封装基板，也是连接外部的冷却装置，LED供电通过双面线路板传至两端金属散热板。

　　把该种结构实现串联或并联，就可实现多个或集群式LED封装，从而达到W级LED固态照明目的。该种设计也可将封装好的贴片发光二极管两极焊接在两端散热板上。

　　散热板为一环状金属散热筒，中间为一个环形的双层线板，LED芯片直接焊装在环状金属散热筒上，其热传导功能与图1原理一样，通过串联，实现集群式LED环状360发光面。

　　前两者与传统的固态照明光源的散热通道相比，减少了散热环节。由于芯片直接焊装在金属基板上，散热效率更高，芯片到金属散热板减少了封装基板环节，同时根据LED芯片的功率，可加大或缩小散热板的宽度和厚度，使热参数匹配。

　　3.3 叠层结构热处理设计：LED发光芯片内部的热处理设计固然非常重要，但集群LED固态照明散热装置也极为重要。以下是散热设计的基本公式：Tr散热器=（125℃-安全温度阀值-环境温度） /功率-Tr发光LED-Tr界面；式中：125℃—结温的典型值；

　　安全温度阀值—一般来说取10℃； Tr发光LED—LED封装结构自身的热阻； Tr界面—LED封装结构与散热器之间的界面热阻。由基本公式得知，叠层结构相对于传统LED照明设计，Ｔr界面热阻值小，Ｔr值就越大，Ｔr散热器就越小。同时Tr散热器根据散热板尺寸的大小，设计有较大的余量。另外，降低界面热阻也需要增加界面的平整度，使用导热性能更高的填充材料及较好的封装工艺。

　　4　结束语：叠层结构技术（DCJS-S）出色的热导性能在一定程度上解决了大功率LED固态照明的“瓶颈”——过高的结温所引发的一系列问题，使得实用级的LED固态照明光源成为可能。