降低結溫以提高壽命 新型LED散熱技術(shù)詳解
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為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的改進(jìn)就是采用導熱更好的襯底材料。早期的LED只是采用Si硅作為襯底。后來(lái)就改為藍寶石作為襯底。但是藍寶石襯底的導熱性能不是太好，（在100°C時(shí)約為25W/（m-K）），為了改善襯底的散熱，Cree公司采用碳化硅硅襯底，它的導熱性能（490W/（m-K））要比藍寶石高將近20倍。而且藍寶石要使用銀膠固晶，而銀膠的導熱也很差。而碳化硅的唯一缺點(diǎn)是成本比較貴。目前只有Cree公司生產(chǎn)以碳化硅為襯底的LED。
圖3. 藍寶石和碳化硅襯底的LED結構圖
采用碳化硅作為基底以后，的確可以大為改善其散熱，但是其成本過(guò)高，而且有專(zhuān)利保護。最近國內的廠(chǎng)商開(kāi)始采用硅材料作為基底。因為硅材料的基底不受專(zhuān)利的限制。而且性能還優(yōu)于藍寶石。唯一的問(wèn)題是GaN的膨脹系數和硅相差太大而容易發(fā)生龜裂，解決的方法是在中間加一層氮化鋁（AlN）作緩沖。
LED芯片封裝以后，從芯片到管腳的熱阻就是在應用時(shí)最重要的一個(gè)熱阻，一般來(lái)說(shuō),芯片的接面面積的大小是散熱的關(guān)鍵，對于不同的額定功率，要求有相應大小的接面面積。也就表現為不同的熱阻。幾種類(lèi)型的LED的熱阻如下所示：
早期的LED芯片主要靠?jì)筛饘匐姌O而引出到芯片外部，最典型的就是稱(chēng)為ф5或F5的草帽管，它的散熱完全靠?jì)筛毤毜慕饘賹Ь€(xiàn)引出去，所以散熱效果很差，熱阻很大，這也就是為什么這種草帽管的光衰很?chē)乐氐脑?。此外，封裝時(shí)采用的材料也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。小功率LED通常采用環(huán)氧樹(shù)脂作為封裝材料，但是環(huán)氧樹(shù)脂對400-459nm的光線(xiàn)吸收率高達45%，很容易由于長(cháng)期吸收這種短波長(cháng)光線(xiàn)以后產(chǎn)生的老化而使光衰嚴重，50%光衰的壽命不到1萬(wàn)小時(shí)。因而在大功率LED中必須采用硅膠作為封裝材料。硅膠對同樣波長(cháng)光線(xiàn)的吸收率不到1%。從而可以把同樣光衰的壽命延長(cháng)到4萬(wàn)小時(shí)。
下面列出各家LED芯片公司所生產(chǎn)的各種型號LED的熱阻
由表中可見(jiàn)，Cree公司的LED的熱阻因為采用了碳化硅作基底，要比其他公司的熱阻至少低一倍。大功率LED為了改進(jìn)散熱通常在基底下面再放一塊可焊接的銅底板以便焊到散熱器上去。這些熱阻實(shí)際上都是在這個(gè)銅底板上測得的。
是不是碳化硅就是LED襯底的最佳選擇呢，不是這樣，任何事物都會(huì )有創(chuàng )新和發(fā)展的，最近臺灣的鉆石科技開(kāi)發(fā)出了鉆石島外延片(Diamond Islands Wafer，DIW)做為生產(chǎn)超級LED 的基材。這種LED的熱阻可以低至5°C/W。用它制成的超級LED 可發(fā)出極強的紫外光，其強度不因高溫而降低，反而會(huì )更亮。其結構圖如圖4所示。
圖4. 采用類(lèi)鉆碳(Diamond Like Carbon，DLC) 的鍍膜可以大大改善LED的散熱
圖5. 用DLC鍍膜和鋁結合可以比其它結構的LED有更好的散熱特性
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