關(guān)于LED芯片的散熱
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圖1：光衰和結溫的關(guān)系(點(diǎn)擊圖片放大)
而且，結溫不但影響長(cháng)時(shí)間壽命，也還直接影響短時(shí)間的發(fā)光效率，例如Cree公司的XLamp7090XR-E的發(fā)光量和結溫的關(guān)系如圖2所示。
圖2：結溫和發(fā)光量的關(guān)系(點(diǎn)擊圖片放大)
假如以結溫為25度時(shí)的發(fā)光為100%，那么結溫上升至60度時(shí)，其發(fā)光量就只有90%；結溫為100度時(shí)就下降到80%；140度就只有70%?？梢?jiàn)改善散熱，控制結溫是十分重要的事。
除此以外LED的發(fā)熱還會(huì )使得其光譜移動(dòng)；色溫升高；正向電流增大（恒壓供電時(shí)）；反向電流也增大；熱應力增高；熒光粉環(huán)氧樹(shù)脂老化加速等等種種問(wèn)題，所以說(shuō)，LED的散熱是LED燈具的設計中最為重要的一個(gè)問(wèn)題。
第一部分LED芯片的散熱
一.結溫是怎么產(chǎn)生的
LED發(fā)熱的原因是因為所加入的電能并沒(méi)有全部轉化為光能，而是一部分轉化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W，其電光轉換效率大約只有20~30%左右。也就是說(shuō)大約70%的電能都變成了熱能。
具體來(lái)說(shuō)，LED結溫的產(chǎn)生是由于兩個(gè)因素所引起的。
1．內部量子效率不高，也就是在電子和空穴復合時(shí)，并不能100％都產(chǎn)生光子，通常稱(chēng)為由“電流泄漏”而使PN區載流子的復合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率，也就是轉化為熱能，但這部分不占主要成分，因為現在內部光子效率已經(jīng)接近90％。
2．內部產(chǎn)生的光子無(wú)法全部射出到芯片外部而最后轉化為熱量，這部分是主要的，因為目前這種稱(chēng)為外部量子效率只有30％左右，大部分都轉化為熱量了。
雖然白熾燈的光效很低，只有15lm/W左右，但是它幾乎將所有的電能都轉化為光能而輻射出去，因為大部分的輻射能是紅外線(xiàn)，所以光效很低，但是卻免除了散熱的問(wèn)題。
二.LED芯片到底板的散熱
LED芯片的特點(diǎn)是在極小的體積內產(chǎn)生極高的熱量。而LED本身的熱容量很小，所以必須以最快的速度把這些熱量傳導出去，否則就會(huì )產(chǎn)生很高的結溫。為了盡可能地把熱量引出到芯片外面，人們在LED的芯片結構上進(jìn)行了很多改進(jìn)。
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。
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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(DiamondIslandsWafer，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(DiamondLikeCarbon，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
而且采用紫外線(xiàn)來(lái)激發(fā)各種熒光粉也可以得到所需要的各種顏色的LED。而且熒光粉不是采用和環(huán)氧樹(shù)脂或硅膠混合的方法而是直接涂于芯片表面還可以避免由于環(huán)氧樹(shù)脂和硅膠的老化而產(chǎn)生的光衰。
這將會(huì )使整個(gè)LED產(chǎn)生革命性變化。而且擺脫了日美等國的專(zhuān)利束縛。
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