高功率LED散热技术VIP专享VIP免费

高功率LED散热技术研究1钟前刚1，方亮1,2，何建1，李艳炯1，殷波1(1.重庆大学应用物理系，重庆，400044)(2.重庆大学光电技术及系统教育部重点试验室，重庆，400044)摘要：散热制约了高功率LED的进一步发展。提高的散热能力是高功率LED封装和器件应用设计的关键技术问题。本文从高功率LED封装结构、封装材料、以及外部散热方案三方面进行研究。最后，提出了LED封装的趋势和研究方向。关键字：LED散热封装结构散热材料热管半导体制冷StudyonHighPowerLEDsCoolingTechnologyZHONGQianGang1,FANGLiang1,2,HEJian1,LIYanJiong1,YinBo1(1DepartmentofAppliedPhysics,ChongqingUniversity,Chongqing400044；2KeylaboratoryofOptoelectronicTechnologyandSystemsoftheEducationMinistryofChina,ChongqingUniversity,Chongqing400044)Abstact:HeatreleasehasresistedmoreimprovementofhighpowerLEDs.HowtoimprovetheheatsinkingcapabilityisoneofthekeytechnicalproblemsforthepackageandapplicationdesignofdeviceconcernedwithhighpowerLEDs.Inthispaper,Packagingstructure,packagingmateres,outerpackagingschemehasbeenanalysized.Atlast,thelaterprogressesofPackagingwereintroducedandpointedoutfurtherresearchdirection.Keywords:LEDheatreleasepackagingstructureheatsinkingmateresHeatpipethermoelectriccooling0引言发光二极管（LED）具有效率高、可靠性好、寿命长、功耗低等优点而广泛应用于显示、交通、背光、照明等行业，近年来，尤其在照明行业得到快速发展。与传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱中不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放。目前单颗高亮度LED光通量已经达到170lm，而芯片产生的热量也达到300W/cm2或者更高[1]。为了获得更大的光通量，通常将LED做成阵列，而大约80%的电能才转化成热能。研究表明，当芯片温度超过一定值，芯片失效率将呈指数规律上升，温度每上升2℃,可靠性下降10%。因此，散热技术对LED的可靠性、稳定性至关重要。改善LED灯具的散热性能，主要有以下几个方面考虑：1.改进LED芯片封装结构，提高从LED芯片到外部散热机构的散热性能；2.开发热导率更高的新材料，11本文得到重庆市科技攻关计划(CSTC2009AC4187),重庆大学“211工程”三期创新人才培养计划建设项目S-09109,重庆大学大型仪器设备开放基金资助。通讯作者:方亮(1968～)，男，教授，博士生导师，主要从事半导体材料与器件和表面处理工艺的研究，Tel：023-65105870；e-mail:fangliangcqu@yahoo.com.cn1降低从LED芯片到环境的热阻；3.设计更优的散热方案，提高LED灯具散热性能。本文从以上三方面进行研究，对大功率LED照明的普及具有重要的理论和工程价值。1封装结构研究1.1硅基倒装芯片结构2001年，LumiLeds公司研制出了AIGalnN功率型倒装芯片结构，如图1。LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上，热量直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属基板，由于芯片更接近散热体，可降低内部热沉热阻，而且也提高了外量子效率。这种结构理论计算可达到1.34K/W，实际做到6-8K/W。1.2金属线路板结构金属线路板结构利用铝等金属具有极佳的热传导性质,将芯片封装到覆有几毫米厚的铜电极的PCB板上，或者将芯片封装在金属夹芯的PCB板上，然后再封装到散热片上来解决散热问题。美国UOE公司的Norlux系列LED，将已封装的产品组装在带有铝夹层的金属芯PCB板上，其中PCB板作LED器件电极连接布线之用，铝芯夹层作为热沉散热，该结构系统热阻约在60～70K/W之间[2]。LianqiaoYang[3]等在将陶瓷封装结构用于GaN基蓝色LED芯片，研究了3种银柱散热热沉对散热性能的影响。如图2，第一种结构热沉为单根银柱，第二种散热结构为16根银柱，第三种散热结构分为两层，上层为16根银柱，下层为9根银柱。热阻测试结果发现：对于三种封装结构，热阻分别为：48.9K/W，61.8K/W,58.5K/W.2蓝宝石衬底散热管座蓝宝石衬底散热管座硅基图1.芯片的正装结构和倒装结构图2.LED陶瓷封装结构图3.微泵浦结构LED封装微泵水流热沉风扇LED芯片基板1.3微泵浦结构2006年ShengLiu等人通过在散热器上安装一个微泵浦系统来解决LED的...