LED散热问题的一些解决方案

赵鑫洋

【摘 要】 如今全世界都在朝着节能环保方向发展，尤其是要减少二氧化碳的排放量。因LED体积小，寿命长，省电污染底，反应速度快逐步取代了耗能较高的白炽灯的位置，但高功率LED的散热问题一直是急需解决的问题。本文将从改善材料，改进LED封装技术等方面来阐述解决LED散热问题的一些方法。

【关键词】 LED 热阻 散热 发光效率 封装技术

LED又称作发光二极体，是一种固态的半导体器件。由PN结芯片，电极和光学系统组成，在电极端加上正向偏压，使电子和空穴分别注入P区和N区，当平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的热量转化为光能。目前LED正在逐步取代白炽灯的位置，受到上游芯片价格下降以及LED照明器具发光效率的提升，人们越来越重视LED在照明领域的发展，而且LED行业自身也呈现出极为良好的发展态势。如目前应用的风光互补功率智能化路灯，在同功率下，LED路灯更亮，如果散热效果做得好，寿命将也有保证。还有LED在城市亮化工程与夜景工程中的应用，与霓虹灯相比具有更加省电耐用的优点。但一些高功率的LED不能很好地散热，寿命将缩短。功率LED是指工作电流在100mA以上的发光二极管。是我国行标参照美国ASSIST联盟定义的，按现有二种LED的正向电压典型值2.1V及3.3V，即输入功率在210mw及330mw以上的LED均为功率LED，都需要考虑器件热散问题，有些人可能有不同看法，但实践证明，要提高功率LED的可靠性（寿命），就要考虑功率LED的散热问题。

LED发光时，PN结产生一定的热量，这些热量要通过对流和热传导散射出去，从而降低PN结温度，这样对LED光衰和使用寿命都有好处，可同时提高光输出并延长寿命，LED光输出与PN结温度关系图如图1。

可见当温度超过25摄氏度时，发光效率会直线下降。过高温度同时会损害LED的一些特性，且是不可恢复的。其中LED芯片的结温Tj=Ta+PRja，其中Ta为环境温度，P为LED功率，Rja为热阻。（当LED点亮后达到稳定时，芯片表面每消耗1W的功率，芯片PN结点的温度与连接支架或铝基板的温度之间温差称为热阻，其中数值越低，表示芯片中的热量传到支架或铝基板上越快，有利于降低芯片中PN结温度，延长LED寿命。）

1 改善LED导热材料

热设计的关键时LED芯片的结温Tj，LED芯片的散热途径主要有传导，对流，发散，其中传到和对流比较重要，从热能分析，发散功率P=VI，当LED效率达到标准时，V和I相对变化比较小，所以散热主要从传到方面考虑，使热量预先从LED发散器导出。首先考虑的是选择热传导系数较大的材料。下面给出一些材料的导热系数，碳铜36.7～39.2黄铜109铝合金162金315银427锡427锌121纯铜398纯铝236纯铁81.1（w/m·k）。可以采用高导热性材料与LED晶片贴合方法与贴合技术，这种方式有可沿用传统封装技术特点。由于Si的热导率是GaAs的3倍，表面平坦且价格优廉，贴合时的热处理变质量较低，贴合设备简单，成本低。Si基板与晶片贴合条件基于基于两材料热膨胀系数差异，Au长膜温度设定为300摄氏度以下，Au膜层堆积于两材料表面后再将金属面贴合成一体，由于Au的热传导率较高，同时又可将LED的热能扩散至Si基板，因此贴合时Au膜层不会发生龟裂现象晶圆制程也无弯曲问题，对发光层而言更不会造成任何伤害。虽然Cu的热传导率比Au高，但Cu在氢环境下进行热处理时会变质，在相同尺寸的晶圆能获得的晶片数量相对比较少。大功率LED晶片表面有四维膜层，除此之外结构上与Si晶片完全相同，因此可直接沿用改装的Si晶片封装设备。传统的炮弹形LED热阻为300K/W，使用Si晶片封装设备封装的大功率LED只有10K/W左右，这意味着电流密度可提高四倍。

2 改进LED封装技术

一般而言，LED晶粒（Die）以打金线、共晶或覆晶方式连结于其基板上（Substrate of LED Die）而形成一个LED晶片（chip），而后再将LED晶片固定于系统的电路板上（System circuit board）。因此，LED可能的散热途径为直接从空气中散热，或经由LED晶粒基板至系统电路板再到大气环境。而散热由系统电路板至大气环境的速率取决于整个发光灯具或系统的设计。B.Fan等人发现荧光粉对温度敏感，高温减少其可靠性，于是建议用一层热绝缘体放在LED与包装层之间，实验证明加了隔热层光流量增加了，CCT温度也不太受电流的影响。另外在LED的热沉上，加装一定面积的散热片。在LED功率器件与散热片的接面先涂上一层导热胶，然后设法把散热片与大功率LED固定好，而且安装时尽量考虑让它能接触到流动的空气，这样可以较快的把热量带走。另外还可以采用导入微控制器 采SMD形式制作的NTCTHERMISTOR组件这是NTC电的改善形式，若想达到更佳的设计，搭配MCU进行更精密的安全设计也是一种相对务实的作法，在开发项目中，可将LED光源模块的状态区分为灯光是否正常、灯光是否被关闭，搭配温度警示与温度量测的程序逻辑判断，建构更为完善的智慧灯具管理机制。例如，若出现灯具温度警示，经温度量测得知模块温度仍在可接受范围，可维持正常途径，透过散热片自然散逸运行温度；而当警示告知所测得温度已达需执行主动散热机制的基准，此时MCU必须控制散热风扇作动，进行散热处理。

3 结语

本文首先介绍了散热对LED的发光效率以及LED寿命的影响，并采用了图表直观表示。之后通过对材料的改变与封装技术的改进这两方面论述了解决LED散热问题的一些方案。

参考文献：

[1]周志敏.LED照明技术与工程应用.中国电力出版社，2009.

[2]陈元灯.LED技术制造与应用（第二版）.电子工业出版社，2009.endprint

【摘 要】 如今全世界都在朝着节能环保方向发展，尤其是要减少二氧化碳的排放量。因LED体积小，寿命长，省电污染底，反应速度快逐步取代了耗能较高的白炽灯的位置，但高功率LED的散热问题一直是急需解决的问题。本文将从改善材料，改进LED封装技术等方面来阐述解决LED散热问题的一些方法。

【关键词】 LED 热阻 散热 发光效率 封装技术

LED又称作发光二极体，是一种固态的半导体器件。由PN结芯片，电极和光学系统组成，在电极端加上正向偏压，使电子和空穴分别注入P区和N区，当平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的热量转化为光能。目前LED正在逐步取代白炽灯的位置，受到上游芯片价格下降以及LED照明器具发光效率的提升，人们越来越重视LED在照明领域的发展，而且LED行业自身也呈现出极为良好的发展态势。如目前应用的风光互补功率智能化路灯，在同功率下，LED路灯更亮，如果散热效果做得好，寿命将也有保证。还有LED在城市亮化工程与夜景工程中的应用，与霓虹灯相比具有更加省电耐用的优点。但一些高功率的LED不能很好地散热，寿命将缩短。功率LED是指工作电流在100mA以上的发光二极管。是我国行标参照美国ASSIST联盟定义的，按现有二种LED的正向电压典型值2.1V及3.3V，即输入功率在210mw及330mw以上的LED均为功率LED，都需要考虑器件热散问题，有些人可能有不同看法，但实践证明，要提高功率LED的可靠性（寿命），就要考虑功率LED的散热问题。

LED发光时，PN结产生一定的热量，这些热量要通过对流和热传导散射出去，从而降低PN结温度，这样对LED光衰和使用寿命都有好处，可同时提高光输出并延长寿命，LED光输出与PN结温度关系图如图1。

可见当温度超过25摄氏度时，发光效率会直线下降。过高温度同时会损害LED的一些特性，且是不可恢复的。其中LED芯片的结温Tj=Ta+PRja，其中Ta为环境温度，P为LED功率，Rja为热阻。（当LED点亮后达到稳定时，芯片表面每消耗1W的功率，芯片PN结点的温度与连接支架或铝基板的温度之间温差称为热阻，其中数值越低，表示芯片中的热量传到支架或铝基板上越快，有利于降低芯片中PN结温度，延长LED寿命。）

1 改善LED导热材料

热设计的关键时LED芯片的结温Tj，LED芯片的散热途径主要有传导，对流，发散，其中传到和对流比较重要，从热能分析，发散功率P=VI，当LED效率达到标准时，V和I相对变化比较小，所以散热主要从传到方面考虑，使热量预先从LED发散器导出。首先考虑的是选择热传导系数较大的材料。下面给出一些材料的导热系数，碳铜36.7～39.2黄铜109铝合金162金315银427锡427锌121纯铜398纯铝236纯铁81.1（w/m·k）。可以采用高导热性材料与LED晶片贴合方法与贴合技术，这种方式有可沿用传统封装技术特点。由于Si的热导率是GaAs的3倍，表面平坦且价格优廉，贴合时的热处理变质量较低，贴合设备简单，成本低。Si基板与晶片贴合条件基于基于两材料热膨胀系数差异，Au长膜温度设定为300摄氏度以下，Au膜层堆积于两材料表面后再将金属面贴合成一体，由于Au的热传导率较高，同时又可将LED的热能扩散至Si基板，因此贴合时Au膜层不会发生龟裂现象晶圆制程也无弯曲问题，对发光层而言更不会造成任何伤害。虽然Cu的热传导率比Au高，但Cu在氢环境下进行热处理时会变质，在相同尺寸的晶圆能获得的晶片数量相对比较少。大功率LED晶片表面有四维膜层，除此之外结构上与Si晶片完全相同，因此可直接沿用改装的Si晶片封装设备。传统的炮弹形LED热阻为300K/W，使用Si晶片封装设备封装的大功率LED只有10K/W左右，这意味着电流密度可提高四倍。

2 改进LED封装技术

一般而言，LED晶粒（Die）以打金线、共晶或覆晶方式连结于其基板上（Substrate of LED Die）而形成一个LED晶片（chip），而后再将LED晶片固定于系统的电路板上（System circuit board）。因此，LED可能的散热途径为直接从空气中散热，或经由LED晶粒基板至系统电路板再到大气环境。而散热由系统电路板至大气环境的速率取决于整个发光灯具或系统的设计。B.Fan等人发现荧光粉对温度敏感，高温减少其可靠性，于是建议用一层热绝缘体放在LED与包装层之间，实验证明加了隔热层光流量增加了，CCT温度也不太受电流的影响。另外在LED的热沉上，加装一定面积的散热片。在LED功率器件与散热片的接面先涂上一层导热胶，然后设法把散热片与大功率LED固定好，而且安装时尽量考虑让它能接触到流动的空气，这样可以较快的把热量带走。另外还可以采用导入微控制器 采SMD形式制作的NTCTHERMISTOR组件这是NTC电的改善形式，若想达到更佳的设计，搭配MCU进行更精密的安全设计也是一种相对务实的作法，在开发项目中，可将LED光源模块的状态区分为灯光是否正常、灯光是否被关闭，搭配温度警示与温度量测的程序逻辑判断，建构更为完善的智慧灯具管理机制。例如，若出现灯具温度警示，经温度量测得知模块温度仍在可接受范围，可维持正常途径，透过散热片自然散逸运行温度；而当警示告知所测得温度已达需执行主动散热机制的基准，此时MCU必须控制散热风扇作动，进行散热处理。

3 结语

本文首先介绍了散热对LED的发光效率以及LED寿命的影响，并采用了图表直观表示。之后通过对材料的改变与封装技术的改进这两方面论述了解决LED散热问题的一些方案。

参考文献：

[1]周志敏.LED照明技术与工程应用.中国电力出版社，2009.

[2]陈元灯.LED技术制造与应用（第二版）.电子工业出版社，2009.endprint

【摘 要】 如今全世界都在朝着节能环保方向发展，尤其是要减少二氧化碳的排放量。因LED体积小，寿命长，省电污染底，反应速度快逐步取代了耗能较高的白炽灯的位置，但高功率LED的散热问题一直是急需解决的问题。本文将从改善材料，改进LED封装技术等方面来阐述解决LED散热问题的一些方法。

【关键词】 LED 热阻 散热 发光效率 封装技术

LED又称作发光二极体，是一种固态的半导体器件。由PN结芯片，电极和光学系统组成，在电极端加上正向偏压，使电子和空穴分别注入P区和N区，当平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的热量转化为光能。目前LED正在逐步取代白炽灯的位置，受到上游芯片价格下降以及LED照明器具发光效率的提升，人们越来越重视LED在照明领域的发展，而且LED行业自身也呈现出极为良好的发展态势。如目前应用的风光互补功率智能化路灯，在同功率下，LED路灯更亮，如果散热效果做得好，寿命将也有保证。还有LED在城市亮化工程与夜景工程中的应用，与霓虹灯相比具有更加省电耐用的优点。但一些高功率的LED不能很好地散热，寿命将缩短。功率LED是指工作电流在100mA以上的发光二极管。是我国行标参照美国ASSIST联盟定义的，按现有二种LED的正向电压典型值2.1V及3.3V，即输入功率在210mw及330mw以上的LED均为功率LED，都需要考虑器件热散问题，有些人可能有不同看法，但实践证明，要提高功率LED的可靠性（寿命），就要考虑功率LED的散热问题。

LED发光时，PN结产生一定的热量，这些热量要通过对流和热传导散射出去，从而降低PN结温度，这样对LED光衰和使用寿命都有好处，可同时提高光输出并延长寿命，LED光输出与PN结温度关系图如图1。

可见当温度超过25摄氏度时，发光效率会直线下降。过高温度同时会损害LED的一些特性，且是不可恢复的。其中LED芯片的结温Tj=Ta+PRja，其中Ta为环境温度，P为LED功率，Rja为热阻。（当LED点亮后达到稳定时，芯片表面每消耗1W的功率，芯片PN结点的温度与连接支架或铝基板的温度之间温差称为热阻，其中数值越低，表示芯片中的热量传到支架或铝基板上越快，有利于降低芯片中PN结温度，延长LED寿命。）

1 改善LED导热材料

热设计的关键时LED芯片的结温Tj，LED芯片的散热途径主要有传导，对流，发散，其中传到和对流比较重要，从热能分析，发散功率P=VI，当LED效率达到标准时，V和I相对变化比较小，所以散热主要从传到方面考虑，使热量预先从LED发散器导出。首先考虑的是选择热传导系数较大的材料。下面给出一些材料的导热系数，碳铜36.7～39.2黄铜109铝合金162金315银427锡427锌121纯铜398纯铝236纯铁81.1（w/m·k）。可以采用高导热性材料与LED晶片贴合方法与贴合技术，这种方式有可沿用传统封装技术特点。由于Si的热导率是GaAs的3倍，表面平坦且价格优廉，贴合时的热处理变质量较低，贴合设备简单，成本低。Si基板与晶片贴合条件基于基于两材料热膨胀系数差异，Au长膜温度设定为300摄氏度以下，Au膜层堆积于两材料表面后再将金属面贴合成一体，由于Au的热传导率较高，同时又可将LED的热能扩散至Si基板，因此贴合时Au膜层不会发生龟裂现象晶圆制程也无弯曲问题，对发光层而言更不会造成任何伤害。虽然Cu的热传导率比Au高，但Cu在氢环境下进行热处理时会变质，在相同尺寸的晶圆能获得的晶片数量相对比较少。大功率LED晶片表面有四维膜层，除此之外结构上与Si晶片完全相同，因此可直接沿用改装的Si晶片封装设备。传统的炮弹形LED热阻为300K/W，使用Si晶片封装设备封装的大功率LED只有10K/W左右，这意味着电流密度可提高四倍。

2 改进LED封装技术

一般而言，LED晶粒（Die）以打金线、共晶或覆晶方式连结于其基板上（Substrate of LED Die）而形成一个LED晶片（chip），而后再将LED晶片固定于系统的电路板上（System circuit board）。因此，LED可能的散热途径为直接从空气中散热，或经由LED晶粒基板至系统电路板再到大气环境。而散热由系统电路板至大气环境的速率取决于整个发光灯具或系统的设计。B.Fan等人发现荧光粉对温度敏感，高温减少其可靠性，于是建议用一层热绝缘体放在LED与包装层之间，实验证明加了隔热层光流量增加了，CCT温度也不太受电流的影响。另外在LED的热沉上，加装一定面积的散热片。在LED功率器件与散热片的接面先涂上一层导热胶，然后设法把散热片与大功率LED固定好，而且安装时尽量考虑让它能接触到流动的空气，这样可以较快的把热量带走。另外还可以采用导入微控制器 采SMD形式制作的NTCTHERMISTOR组件这是NTC电的改善形式，若想达到更佳的设计，搭配MCU进行更精密的安全设计也是一种相对务实的作法，在开发项目中，可将LED光源模块的状态区分为灯光是否正常、灯光是否被关闭，搭配温度警示与温度量测的程序逻辑判断，建构更为完善的智慧灯具管理机制。例如，若出现灯具温度警示，经温度量测得知模块温度仍在可接受范围，可维持正常途径，透过散热片自然散逸运行温度；而当警示告知所测得温度已达需执行主动散热机制的基准，此时MCU必须控制散热风扇作动，进行散热处理。

3 结语

本文首先介绍了散热对LED的发光效率以及LED寿命的影响，并采用了图表直观表示。之后通过对材料的改变与封装技术的改进这两方面论述了解决LED散热问题的一些方案。

参考文献：

[1]周志敏.LED照明技术与工程应用.中国电力出版社，2009.

[2]陈元灯.LED技术制造与应用（第二版）.电子工业出版社，2009.endprint