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    大功率LED散熱問題的探討

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    大功率LED 得以廣泛應用,主要由于其壽命長、體積小、電轉化效率以及高色溫等特點。但是在LED 的推廣應用中,高效穩定的散熱問題成為了重要阻礙。本文著重對大功率LED 的散熱問題進行了探討。

      0 引言

      1962 年LED 被開發,自此先后研發成功了橙色、藍色、紅色、綠色以及紫外、紅外二極管,一開始可見光發光二極管被應用于顯示光源,如道路標識燈、剎車燈、交通信號燈、大面積的彩色顯示等等。當然,在LED 制造工藝的不斷完善與進步,以及新型材料被廣泛開發與應用以后,LED 從單色發展到了白色,并逐漸從信號顯示轉向照明光源,白光LED 半導體固體光源性能得到不斷完善,目前已經進入了實用階段。

      1 LED 的原理

      LED 的核心部分是由n 型半導體與p 型半導體組成的晶片,利用注入式發光原理制作而成。在n 型與p 型半導體之間,有一個p-n 結的過渡層,當注入的多數載流子和少數載流子復合時,多余的能量會以光的形式在某些半導體材料中釋放出來,進而將電能轉換成光能。如果反向加電壓,那么難以注入少數載流子,因此也就不會發光。

      LED 由周期表中的V 族元素與Ⅲ族元素組成,是由化合物半導體材料組成,如:磷化鎵與砷化鎵是單色LED 常用的材料。

      目前,氮化鎵是制造白光LED 的主要材料。對于GaN 薄膜材料,目前還沒有體單晶GaN 可以同質外延,主要是依靠有機金屬氣象沉淀法,在相關的異型支撐襯底上來生成。在沉底上依次鍍上n-A1GaN、p-A1GaN、n-GaN 等材料,然后使用一系列工藝過程,如:

      封裝、劃片,來完成制造。這種工藝目前發展成熟,但由于藍寶石是GaN 基LED 的主要襯底材料,所以能夠替代它的襯底材料目前還未發現。

      2 大功率LED 散熱的重要性

      傳統管芯的功率比較小,需要散熱也不多,所以在散熱上,并沒有什么嚴重問題,但大功率的LED 就不同了,它的芯片功率密度非常大。目前,由于半導體制造技術的原因,有80% 以上的輸入功率轉化為了熱能,只有不到20% 轉化成了光能。芯片的熱量如果只是簡單的按比例將封裝尺寸放大,是無法散發出去的,且極有可能會導致焊錫融化,造成芯片失效,而加快熒光粉與芯片老化是必然會發生的情況,LED 的色度在溫度上升時也會變差。對LED 來說散熱具有非常重大的意義,一般要求結溫在110° C 以下,這樣才能保證器件的使用壽命。

      目前,大功率LED 封裝需要考慮的首要問題就是如何改進不斷增大的芯片功率所帶來的散熱問題。目前,比較常用的改進LED 散熱問題的方法有兩種,分別是:加快散發內部熱量,對LED的散熱結構進行改進,使芯片的溫度可以有效降低;從根本上減少熱量的產生,提高芯片的發光效率,提高器件內量子效率。

      3 加快LED 熱量散發的常用方法

      3.1 采用有良好導熱性能的材料

      不管是采用哪種裝焊方式,都需要將芯片通過粘接材料來粘接到金屬熱沉上(圖一所示)。也就是說,如果粘接材料能有更高的導熱性能,就可以將粘接材料層的厚度減少,從而使器件的散熱能力顯著提高以及使倒裝焊LED 的熱阻顯著降低。相關專業人士利用限元法對倒裝大功率白光LED 的空間溫度場分布進行了模擬計算,得到芯片溫度的分布面圖,發現了在底部金屬熱沉和芯片的粘接部分之間的溫度差異較大,也就說明了這一區域存在有很大的熱阻,如果我們在進行粘接時,能找到有更好導熱性能的材料,那么器件的熱阻會得到有效的降低


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