LED封装与散热研究论文.doc

无 锡 职 业 技 术 学 院毕业设计说明书（论文）LED封装与散热研究摘要：本研究旨在为高亮度照明LED的散热和封装提供一些理论与设备基础，以节约能源、保护环境、降低成本、提高灯具使用寿命推动高亮度白光 LED 的发展应用。关键词：高亮度发光二极管，固体照明封装，散热1 引言本文的主要内容是针对白光 LED 在照明领域的应用市场，研发白光 HB-LED 芯片 的散热和封装技术。在第一章绪论中主要介绍了目前 LED 的发展状况，照明的优点及 可行性，分析了 LED 在国内外的发展现状和市场应用前景；在第二章中，主要介绍 LED 发光原理、HB-LED 芯片的制作工艺流程和芯片电极结构以及封装结构的演变过程；第 三章介绍了 LED 散热制冷的各种方式及其原理，包括风冷、热管、热电等制冷方式； 第四章介绍了 microjet 水冷方式，对减摩防粘进行了研究，并对 microjet 水冷进行了热 模拟；第五章利用 microjet 冷却系统，来对高功率 LED 进行制冷实验，与其他制冷方式 进行散热效果比较，并做了一些可靠性试验；最后一章给出了全文总结。“绿色照明”是九十年代初国际上对节约电能、保护环境的照明系统的形象性说法。 绿色照明的科学定义为：绿色照明是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安 全和性能稳定的照明电器产品（电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材，以及调光器 件和控光器件），改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、 舒适、安全、有益的环境并充分体现现代文明的照明。许多发达国家和部分发展中国家 先后制定了“绿色照明工程”计划，并取得了显著效果。照明的质量和水平已成为人类 社会现代化程度的一个重要标志之一，成为人类社会可持续发展的一项重要的措施。作为固体光源的LED（Light Emitting Diode）发光二极管，真正点燃了“绿色照明” 的光辉，被认为是 21 世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命，从而一定程度上改善人类的生产和生活方式。LED照明的应用前景在全世界都掀起了高潮，被寄予了厚望。而我国科技部有关领导提出：我们要以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机，推动半导体灯在城市景观照明的应用。科技部“国家半导体照明工程”计划 2007 年半导体照明逐步取代白炽灯，2012年后取代荧光灯。据预测，在汽车尾灯、交通灯、公共设施以及家庭照明需求的带动下，2003-2007 年我国高亮度发光管芯市场规模将保 持将近25.0%的增长速度，到2007年我国高亮度 LED 管芯市场规模将会突破20亿元。中国作为 13 亿人口大国，电力能源相对来说比较贫乏，并且随着经济的发展，人民生活水平的不断提高，照明用电在电力消费中占的比例逐年提高。进入九十年代，我国照明用电的增长在 15%以上，但是我国照明用电的结构中普通白炽灯仍占有极大的比例。我国人均拥有光源的数量仍比较低，与日本相比，灯的数量是日本的 4.7 倍，使用电力是日本的5.9倍，而灯的平均光效率只是日本的 1/3。因此，我们在项目支持下，研究高亮度 LED 照明，以节约能源，保护环境，提高照明质量。本文的主要内容是针对白光LED在照明领域的应用市场，研发白光 HB-LED 芯片 的散热和封装技术。在第一章绪论中主要介绍了目前LED的发展状况，照明的优点及可行性，分析了LED在国内外的发展现状和市场应用前景；在第二章中，主要介绍LED发光原理、HB-LED 芯片的制作工艺流程和芯片电极结构以及封装结构的演变过程；第三章介绍了 LED 散热制冷的各种方式及其原理，包括风冷、热管、热电等制冷方式；第四章介绍了 microjet 水冷方式，对减摩防粘进行了研究，并对 microjet 水冷进行了热 模拟；第五章利用 microjet 冷却系统，来对高功率 LED 进行制冷实验，与其他制冷方式 进行散热效果比较，并做了一些可靠性试验；最后一章给出了全文总结。2 HB-LED 封装基础2.1 HB-LED 发光原理以及结构图1为LED发光机理图，发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能，能量大小为h（h为普朗克常数,为频率）而发出光子，该能量差相当于半导体材料的带隙能量Eg ( 单位：电子伏Ev) ,其与发光波长(单位：m) 的关系为= 1.24/Eg，因此通过选择不同的带隙宽度的材料，其发光谱可以从红外、可见光、以及紫外波段。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。图 1 LED 器件的结构和发光原理图图2 不同电极结构的电流扩展分布为了减少横向LED芯片中电流不均匀分布，有效电流路径长度必须很短并且同等，该长度决定于p电极和n电极的空间距离。图2 (b)芯片电极通过优化后电流密度在整个 芯片分布的均匀性要比图2 (a)好。因此对于大芯片LED，单独一个电极设计是不利 于电流扩散，而采用梳状条形交叉电极、梳状条形与点状结合的电极以及米字形的电极 结构设计，可以使得芯片内电流分布比较均匀。目前主流的HB-LED的电极结构主要有下列几种形式，如图2所示。图 3大功率HB-LED芯片电极结构图3为大芯片欧姆接触顶部做成梳状电极的特点：两端各有两个电极用的圆形接 触盘，通电后条形电极之间的区域将会有光发出，从而实现由点光源到面光源的过渡， 提高芯片总的光输出通量。图4为梳状条形与多点接触的电极主要是结合在硅片上倒装(flipchip)技术，能更有效提高HB-LED的取光效率。图4 顶面发光大功率 LED电极图5 HB-LED芯片倒装焊在Si基板上图6米字形上下电极结构图6为美国 Cree 公司的专利产品，米字形电极结构主要应用在基于导电碳化硅（SiC）衬底生长的 LED，其电流是垂直扩散，比起在绝缘透明蓝宝石（Sapphire）衬底上生长 GaN 基 LED 的横向扩散电流，电流分布均匀性更好。通过扩大 LED 芯片面积，使得 LED 输出功率提高，发光亮度得以大幅度地提高，不过若一味加大芯片面积，反而会出现 LED 內部的光吸收比率增加、外部量子效率降低等不利的现象。从图7可以看到，随着芯片二维尺寸的增加，芯片本身的发光效率下降的很快。图7芯片尺寸与其量子效率的关系2.2封装结构的演变LED 封装的主要目的是为了确保发光芯片和下一层电路间的电气和机械性的正确 接触，并保护发光芯片不会受到机械、热、潮湿及其它的外部冲击。同时，由于 LED要实现其光学方面的特性，封装时也需要考虑和确保其光学特性能满足要求。LED 封装方法、材料和封装设备的选取主要是由 LED 芯片的结构、电气/机械特性、精度和单价等因素决定的。LED 产业经过 40 多年的发展，经过了支架式 LED(Lead LED)、普通贴片式 LED(Chip SMD LED)、功率 LED(Power LED)、大功率 LED(High Power LED)等发展历程。图 8 为 LED 发光器件封装结构的演变，从图中可以看出，LED 器件封装的热阻越来越小。由于大功率 LED 芯片结构与封装散热特性的改善，即使驱动电流到 80A/cm2，甚至高达 100A/cm2(相当于 1mm2 的芯片的驱动电流达 1A)，也不会出现光输出饱和现象。相比较之下，传统的低散热支架式 LED，驱动电流如果超过 20A/cm2 时就会急速产生光 输出饱和问题从实际应用的角度来看：安装使用简单、体积相对较小的大功率 HB-LED 器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率 LED 器件。小功率的 LED 组成的照明灯具为了达到照明的需要，必须集中许多个 LED 的光能才能达到亮度要求。带来的缺点是线路异常复杂，散热不畅，为了平衡各个 LED 之间的电流电压关系必须设计复杂的供电电路。相比之下，大功率 HB-LED 单芯片的功率等于若干个小功率 LED 的总和，供电线路相对简单，散热结构完善，物理特性稳定。在完成大芯片制作后，面临着如何将大芯片进行封装的挑战。对于大功率 LED 器件的封装方法我们并不能简单的套用传统的小功率 LED 器件的封装方法与封装材料。 简单的增大发光面积无法解决根本的散热问题和取光问题，因此也就无法达到预期的光 通量和实际应用效果。功率型 HB-LED 的热特性直接影响到 LED 的工作温度、发光效率、发光光谱、使用寿命等性能，因此，对功率型 LED 芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。可以这样说，封装是一门技术，更是一门科学艺术。LED 芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比 5mmLED 大 10-20 倍的光通量，必须设计有效的散热结构和选用不劣化的封装材料来解决光衰减问题。因此，管壳设计及其封装也是其关键技术。大的耗散功率，大的发热量，高的出光效率给我们的封装工艺封装设备和封装材料提出了新的要求，必须采用新的设计和封装理念。 目前能承受数瓦功率的 LED 封装已出现，5W 系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED 从 2003 年初开始供货，目前正开发可承受 10W 功率的大面积管 LED，尺寸大约为 2.52.5mm2，可在 5A 电流下工作，光输出达 2001m，作为固体照明光源有很大发展 空间。首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸倒装焊 LED 芯片(FlipChip LED，简称 FC-Chip)。同时制备出相应尺寸的硅底板，并在其上制作出供共晶焊接的金导电层及引出导电层(超声金丝球焊点)。然后，利用共晶焊接设备将大尺寸 LED 芯片与硅底板焊接在一起，如图 2.1.5 所示。这样的结构较为合理，即考虑了取光问题又考虑到了散热问题，这是目前主流的大功率HB- LED 生产方式。美国 LumiLeds 公司在 2001 年 研制出了 AlGaInN 功率型倒装芯片结构，具体做法为：图8 LED封装结构的演变以及热阻的变化趋势第一步，在外延片顶部的 P 型 GaN：Mg 淀积厚度大于 500A 的 NiAu 层，用于欧姆接触和背反射。第二步，采用掩模选择刻蚀掉 P 型层和多量子阱有源层，露出 N 型层。 第三步，淀积、刻蚀形成 N 型欧姆接触层，芯片尺寸为 11mm2，P 型欧姆接触为正方形或者圆形焊盘，N 欧姆接触以梳状插入其中，这样可缩短电流扩展距离，把扩展电阻降至最小。第四步，将金属化凸点的 AlGaInN 芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。先利用 LED 晶片厂通用设备制备出具有适合共晶焊接电极结构的大出光面积的LED芯片和相应的陶瓷底板，并在上制作出共晶焊接导电层及引出导电层。之后利用共 晶焊接设备将大尺寸 LED 芯片与陶瓷底板焊接在一起,如图 2.3.2 所示。这样的结构考虑了出光问题也考虑到了散热问题，并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板，散热的效果非 常理想，价格又相对较低所以为目前较为适宜的底板材料，并可为将来的集成电路化一 体封装伺服电路预留下了安装空间。美国 Cree 公司是采用 SiC 衬底制造 AlGaInN 超高亮度 LED 的全球唯一厂家，几年来 AlGaInN/SiC 芯片结构不断改进，亮度不断提高。由于 P 型和 N 型电极分别位于芯片的底部和顶部，单引线键合，底部能与散热金属层或者硅基板直接键合，兼容性较好， 因而成为 AlGaInN LED 发展的另一主流。2.3 白光 LED 原理由于 GaN 基宽带隙半导体材料技术的突破，使得 LED 正在由指示和显示向家用普 通照明领域扩展，这一发展趋势使得人们把 LED 技术研发重点放在白光 LED 上面。目前，白光 LED 技术主要有三种，其各种实现方式的优缺点如表 9 所示。(1) 用 InGaN 蓝色 HB-LED 管芯上加少量钇铝石榴石为主的荧光粉；(2) 利用三基色原理将红、绿、蓝三种 HB-LED 混合成白光；(3) 用紫外光 LED 激发三基色荧光粉或其他荧光粉，产生多色光混合成白光。(a)蓝光芯片激发黄色荧光 (b)蓝光光谱与黄光光谱混合成白光图9 白光 LED 的合成原理以及激发光谱目前国际上通常采用的 GaN 基蓝光 HB-LED 管芯的发射波长在 460nm470nm之间，要求荧光粉的激发光谱也在这个范围之内，同时要匹配成白光，荧光材料的发射光谱的波峰需在 570nm 附近。2.4HB-LED 封装工艺2.4.1 LED 阵列模组的设计：模组的设计主要步骤有：(1) 设计覆铜板上电气连接以及芯片放置的位置和距离，选择高散热性能的覆铜板， 如图 2.4.1(a)所示。选择材料以及大小尺寸，优化模组中芯片之间的最小间隔 d；由于集成多个芯片，如果过于密集，模组工作时，各个芯片的热场会相互重叠，那么影响芯片温升的条件不仅自身热学性能有关，还跟周围其他芯片的热场有关。 图10 (a)覆铜板上设计 22 芯片阵列的电路 (b) 完成金线键合的 芯片阵列(2) 采用 Chip-On-Board 技术把完成倒装焊的芯片焊接在电路层上的预留的焊盘上， 然后将芯片上焊盘与电极用金线键合起来，如图10(b)所示。 (3) 将荧光粉配胶涂在芯片的表面上，图 11 为用手工涂敷在芯片上的荧光粉涂 层。图 11 手工涂上荧光粉涂层的 LED 阵列(4) 将涂好荧光粉涂层的 LED 放入烘箱中烘烤 1-2 个小时，温度在 120150oC 范 围之内，固化后把反光杯固定在线路板上，并填入绝缘、柔性、光学透明的硅树脂。重 新放入烘箱中烘烤，将硅树脂热固化，图12 为填入硅树脂的 LED 器件。(5) 根据光图样分布要求安装模组透镜或者反射器，得到 LED 阵列模组。(6) 模组由于发热量很大，要可靠稳定工作，单靠覆铜板的散热结构还远远不够。3 LED 散热方式比较LED 发光是靠电子在能带间跃迁产生的，其光谱中不包含红外部分，LED 的热量不能靠辐射散出，因此 LED 是“冷”光源。目前 LED 的发光效率仅能达到 10%20%， 也就是说，还有80%-90%的能量转换成了热能，如果 LED 芯片的热量不能散出去，会加速芯片的老化，还可能导致焊锡的融化，使芯片失效，具体表现为：(1) 发光强度降低，随着芯片结温的增加，芯片的发光效率效率也会随之减少，芯 片结温越高，发光强度下降越快。(2) 发光主波长偏移，当LED 的温度升高时，LED的波长的大致变化规律为每升 高 10 度，波长红移 1nm，主波长的变化将会引起混色效果的变化，还会偏移黄色荧光 粉的激发峰值，致使转换效率下降。(3) 严重降低 LED 的寿命，加速 LED 的光衰。 所以芯片的温度不能超过 125，LED 芯片的温度Tj 可由下式求出：Tj = Ta + Q ja P式中，Ta 为环境温度，P为LED的功率（W）； Q ja 为芯片和环境之间的热阻，其单位为/W。显然，要想有效地降低芯片的温度，就必须尽可能减少热阻Q ja ，因此为了保证LED的寿命，散热成了大功率LED应用的一个关键因素。LUMILEDS FLIP-CHIP提 高了内量子的效率，从而增加了芯片的发光效率，减少了热量的产生。此外通过改进LED的封装结构，使热量更容易散出来图12 带散热器的 LED 模块照明系统(1) 用倒装焊的结构，利用硅片来散热。(2) 用极薄的导热胶将GaN芯片粘在方型的铝热沉上，与5mm的LED仅靠碗状模 具散热相比，更有利于热量的传输。(3) 使用中将封装好的LED固定在合适的散热板上。3.1散热途径研究散热的基本途径主要有以下三种：热传导、对流、辐射。与其他固体半导体器件相 比，LED 器件对温度的敏感性更强。由于受到芯片工作温度的限制，芯片只能在 125 度以下工作，因此器件的热辐射效应基本可以忽略不计。传导和对流对 LED 散热比较重要。从热能分析，假设 Q=发散功率 (Pd) = Vf If，而且 Vf 和 If 相对变化比较小。所以我们在做散热设计时主要先从热传导方面考虑，热量预先从 LED 模块中传导到散热器。两种典型的散热结构如图13 所示。左图是小功率 LED 的封装结构，由于其发热量非常小，基本上不用做什么散热措施。右图是大功率 LED 的封装结构，散热主要依靠下部的热沉(Heatsink Slug)。虽然风冷散热器中“风”起着至关重要的作但没有优秀的散热片作为基础，“风 力”则无从发挥。可以说，散热片的结构设计、材料选择、制作工艺对风冷散热器的性 能起着决定性的作用，也是判断风冷散热器性能时需要注意的第一要素。下面就介绍一下风冷散热器中这个最重要的组成部分散热片，散热片担负着将发热物体产生的热量散失到周围空气中的使命，是风冷散热器中的热量传导通道。其主要作用有三：(1) 吸热吸收体积、面积较小的发热物体的热量，令其不致因热量堆积而温度 急剧升高，导致各种不希望看到的后果；(2) 导热将吸收的热量在内部传导到散热片的各个部分，充分利用较大的热容 量与表面积；(3) 散热通过表面的各种热交换途径（主要是热对流）将热量散失到空气之中（可配合风扇进行强制对流）。图135mmLED 横截面视图（左）和 Luxeon LED 横截面视图（右）此三种主要作用互相配合，形成一套完整的散热途径。其中任何一种作用无法发挥，或未完全发挥，都可能导致散热性能的大幅降低，甚至完全丧失。热阻和风阻是衡量风冷和散热片的两个重要指标热阻，英文名称为 thermal resistance，即物体对热量传导的阻碍效果。热阻的概念 与电阻非常类似，单位也与之相仿/W，即物体持续传热功率为 1W 时，导热路径两端的温差。以散热器而言，导热路径的两端分别是发热物体（如 LED 等）与环境空气。散热器热阻（发热物体温度环境温度）导热功率。散热器的热阻显然是越低越好相同的环境温度与导热功率下，热阻越低，发热物体的温度就越低！必须注意：上述公式中为“导热功率”，而非“发热功率”！因为无法保证发热物体所产生的热量全部通过散热器一条路径传导、散失，任何与发热物体接触的低温物体（包括空气）都可能成为其散热路径，甚至还可以通过热辐射的方式散失热量。所以，当环境或发热物体温度改变时，即使发热功率不变，由于通过其它途径散失的热量改变，散热器的导热功率也可能发生较大变化。如果以发热功率计算，就会出现散热器在不同环境温度下热阻值不同的现象。常见金属材料的热传导系数如表14，其中热传导系数的单位为 W/mK，即截面积为 1 平方米的柱体沿轴向 1 米距离的温差为 1 开尔文（1K1）时的热传导功率。 热传导系数很高的金、银，由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用；铁则由于热传导率过低，无法满足高热密度场合的性能需要，不适合用于制作计算机空冷散热片。铜的热传导系数同样很高，可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高加工难度大等不利条件，在计算机相关散热片中使用较少，但近两年随着对散热设备性能要求的提高，越来越多的散热器产品部分甚至全部采用了铜质材料。铝作为地壳中含量最高的金属，因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐；但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金，寄此获得许多纯铝所不具备的 特性，而成为了散热片加工材料的理想选择。各种铝合金材料根据不同的需要，通过调整配方材料的成分与比例，可以获得各种 不同的特性，适合于不同的成形、加工方式，应用于不同的领域。上表中列出的 5 种不同铝合金中：AA6061 与 AA6063 具有不错的热传导能力与加工性，适合于挤压成形工艺，在散热片加工中被广为采用。ADC12 适合于压铸成形，但热传导系数较低，因此 散热片加工中通常采用 AA1070 铝合金代替，可惜加工机械性能方面不及 ADC12。 AA1050 则具有较好的延展性，适合于冲压工艺，多用于制造细薄的鳍片3.3热管技术研究3.2 热管的工作原理热管技术是 1963 年美国 LosAlamos 国家实验室的 G.M.Grover 发明的一种称为“热 管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将 发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了 传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。 图14 热管的工作原理从热力学的角度看，为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？物体的吸热、放热 是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从 热传递的三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使 得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管 内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯， 其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时， 毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重 新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3 101 1.3 104 Pa 的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。 管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不 己，热量由热管的一端传至另端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六 个相互关联的主要过程：(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液汽）分界面； (2)液体在蒸发段内的（液汽）分界面上蒸发； (3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段； (4)蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结：(5)热量从（汽液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。热管的基本特性热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性(1) 很高的导热性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强径向并无太大的改善(径向热管除外)。(2) 优良的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。(3) 热流密度可变性 热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以 解决的传热难题。(4) 热流方向酌可逆性 一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力， 因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。(5) 热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。(6) 恒温特性(可控热管)普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因 此当加热量变化时，热管备部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管可变 导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使 热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。(7) 环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲 热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。3.3热电制冷研究热电制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包括五个效应，导热、焦耳热损失、西伯克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。 热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（即帕米尔效应）的一种制冷方法。半导体制冷器的优势在于制冷密度大、与 IC 工艺兼容、无运动部件，没有磨损、并且结构紧凑，可以提高集成度。图15把一只p型半导体元件和一只n半导体元件连接成热电偶，接上直流电源后， 在结合处就会产生温差和热量的转移。在上面的一个结合处，电流方向是n-p，温度下降并且吸热，这就是冷端。而在下面的一个结合处，电流方向是p-n,温度上升并且放热，因此是热端。金属热电偶的帕尔帖效应，可以用接触电位差现象定性地说明。由于接触电位差 的存在，使通过结合处的电子经历电位突变，当接触电位差与外电场同向时，电场力做功使电子能量增加。同时，电子与晶体点阵碰撞特此能量变为晶体内能的增量。结果使 结合的位置的温度升高，并释放出热量。当接触电位差与外电场反向时，电子反抗电场 力做功,其能量来自结合处的晶体点阵。结果使得结合处的温度下降，并从周围环境吸收 热量。 图15 热电制冷示意图为了更进一步提高热电制冷效率，提出采用多级热电制冷，并且集成热沉增加与外界环境的热交换如图16。图16 两级热电制冷器半导体制冷用热管散热器的设计, 除了需要考虑普通热管散热器的设计要求外, 还 有一些自已的特点。下面分别从蒸发段设计、绝热段设计、冷凝段设计、工质的选用、 充装量的确定等五个方面予以说明。蒸发段设计主要需考虑以下四个方面：(1) 要尽可能使热管蒸发段底面与器件面有相等的对应接触面积，以使器件面的热 流全部被传递出来；(2) 充分保证蒸发底面有良好的平整度和较高的光洁度，以减小其与器件面的接触 热阻；(3) 蒸发段的外表面不宜设置肋片。为减小重量和热传递距离，蒸发段的长度尺寸 设计应尽可能小一些；(4) 为便于热流密度展开, 应尽可能地使蒸发段的有效蒸发面积大一些，为此对蒸 发表面进行强化是有益的。绝热段设计 对于半导体制冷用热管散热器而言，其绝热段实际上没有什么意义，因此在设计中应该尽可能的减小其长度，以利用于冷凝段面积的扩展。冷凝段设计冷凝段设计需要注意以下四点：(1) 热管的扩展翼片与管本身最好是一体加工而成，或紧密的金属化联接，以减小 管与翼片之间的传递温差。(2) 应使热管的扩展翼片对热管具有最优化的翅化比以充分发挥翼片的效率。(3) 如果空间能够允许，增加冷凝段的长度，从而增大散热面积，就完全可以以自 然对流代替强迫风冷散热，以便消除噪声。(4) 根据热管散热器不同的安装方位，对管内结构应稍做调整，以利于工质的充分回流。除管内应完全清洁干净外，对重力辅助式热管内部(含蒸发段和绝热段) 应设沟槽， 对反重力热管应设输液芯（含蒸发段和绝热段）。4 封闭式微喷射流冷却系统4.1微喷散热的优势风冷主要靠空气对流来传热和降温，噪声一般比较大，而且维修起来不方便容易 受到灰尘等杂物的干扰，且散热效果不是很明显。优点就在于价格便宜。水冷依靠水泵驱动水流动，依靠水来运走热量达到降温的效果。水冷的缺点是成本较高，不适合一般用户使用。优点在于其散热的效果相当好，且不会受到灰尘的干扰。众所周知，水冷需要有液体的循环往复，根据循环液体是否与水冷系统外环境连通可以分为开放式水冷与封闭式水冷。开放式水冷和外界相连通，对冷却液体的多少没有什么限制，并且可以随时更换冷却液体，但使用不太方便；封闭式水冷的冷却液是固定不变的，随着冷却液和 LED 进行热交换，冷却液的温度会逐渐升高，因此，必须通过其他方式把热沉风扇把冷却液的热量导走，使用比较方便。Microjet 和 Microchannel 是两种比较重要的主动制冷方式，这两种制冷方式最有希望提供强有力的制冷能力，成为下一代主动式热管理的冷却工艺。圆形和方形的喷嘴广泛被使用在 microjet 制冷中，也可以根据需要修改喷嘴形状以满足 特定的需要。研究表明 microjet 的热转移效果非常好，很适合用来冷却电子元件。喷嘴 的尺寸范围从几毫米到几百毫米，所以也称为基于 MEMS 的 microjet 制冷。由于 microjet 阵列制冷能带走大量的热量，并且对水泵功率要求不高，引起了人们越来越多的兴趣。相对于 microchannel 制冷来说，microjet 制冷能够产生更加均匀的温度分布，特别 是热量呈面状分布的情况下；Microjet 和 microchannel 的另外一个区别是，microjet 制冷 不需要高热导材料，因为 microjet 制冷直接让制冷剂和待冷却元件表面接触，不需要中 间材料。4.2结构设计虽然 microjet 制冷有这么多优秀的热性能39，也存在一些限制。Microjet 制冷用在 封装结构中的时候，为了避免制冷剂产生短路，不能使用引线键合，而应该顿化接触表 面，或者采用电绝缘制冷剂。我们提供了两种 microjet 结构设计方案，如图 17 所示， 第一种方案冷却液从 LED 底部喷出，与 LED 进行热交换，第二种方案冷却液从顶部喷 出，与 LED 进行热交换。方案一会产生附加的成本和封装的复杂性，方案二会减少制 冷的效率，绝缘制冷剂的冷却效率只有普通制冷剂效率的 50-80%。方案一结合了封装结构和 microjet 制冷技术，基板和芯片在上面，制冷器在下面， 基板下表面是电绝缘的，制冷剂从入口压入，然后从喷嘴阵列喷出，与基板接触进行热 交换，然后从出口流出，从而带走热量。该方案的创新点在于：(1)基于底面阵列冷却的 新颖散热工艺；(2)封装基底和喷嘴结构的智能组合，大大减少了热阻；(3)可以使用于 单相制冷和双相制冷。和方案二相比，方案一有如下一些优点：(1)既不需要顿化基板，也不需要制冷剂具有绝缘性；(2)由于能够使用和传统散热工艺相似的热沉，这和当前的封装结构是兼容的； (3)由于制冷剂直接喷到基板上，热沉工艺所需要的基盘和热接口材料都可以省去，从而简化了封装结构、缩短了热传播路径。图 17microjet 方案一(a)和方案二(b)4.3 减摩防粘研究不管是 microjet 还是 microchannel，随着微喷嘴或微流通道的变小，液体流动的阻力变得越来越大，驱动制冷剂在 microjet 里面流动成了一个问题，那么怎样才能减小流 动的阻力呢？众所周知，荷叶“出淤泥而不染”，有着超强的疏水能力。德国生物学家 Barthlott等人用扫描电子显微镜观察，发现荷花的花瓣表面并不光滑，存在着纳米和微米级的双 微观结构，即乳突形成的表面微观结构和蜡晶体形成的纳米结构。乳突的直径为515m ，蜡晶体特征尺度为 20nm500nm。其放大结构如图 18(a)所示。图18(a)是荷叶表面的电子扫描图，图 18(b)是用迭代方法构造出的一种多级分 层分形结构，从比较图18 (a)和图18(b)可以看出，荷叶表面的微观结构和分形结构 非常类似，为我们构造具有荷叶表面功能的 MEMS 功能表面提供了一种崭新的思路。通过分形的方法来模拟荷叶表面的双微观结构，可以有效地减少其他物体与该表面的接触面积，从而减少摩擦力与粘附力。(a)(b)图18荷叶表面的微观结构(a) 多级分层分形结构(b)接触角是衡量物体表面疏水性的基本参数，表面疏水性越好，减摩放粘效果越理想。光滑且均匀的固体表面于液滴的接触角由Yonugs方这里 是粗糙表面的表观接触角， 是与粗糙表面具有同样化学性质光滑表面的本 征接触角， 是粗糙因子，总大于1。从式19可以看出，粗糙结构使得疏水表面( 90)更为疏水，亲水表面( 90)更为亲水。本文采用二维多级分层分形结构建模，可用分形结构 (L / l )D 1 来计算粗糙因子。其 中 L 表示分形结构的上限尺寸，l 表示分形结构的下限尺寸，D 表示分形维数，通过合理设计，可使多级分层分形结构的维数大于 1，并可接近 2。将粗糙因子代入 Wenzel 模多级分层曲线的构造比较复杂，需要采用递归程序设计来构造。采用逐步构造法 来构造多层次结构，为了叙述方便，把每个矩形块都编上号，Bi （i=1,2,3）表示第 i 次迭代过程中产生矩形块。各矩形块的长度和高度分别用 li 和 hi 表示。每一步迭代，都是在前面已有结构的基础上添加一些矩形块来构造下一级结构，下一级结构的轮廓在某种程度上说是前面一级结构的重复。因此，每一步迭代的结构和总体结构都是相似的。 在这种结构里面，一些点有时候会暂时性的包含在结构里面，经过一步或几步迭代后这 些点将不包含在总体结构里。图19 多级分层曲线模型根据多级分层曲线所算出的表面形貌参数。其中 alpha 和 beta 分表示多级分层曲线的参数和，通过改变迭代次数和 beta 值可以改变表面粗糙度。从图中可以看出，迭代次数越大、alpha 值越大、beta 值越大，表面越粗糙，表面接触角越大。由此可见，我们可以采用多级分层曲线模型来设计 microjet 或 microchannel 内表面的结构，实现 MEMS 仿生功能表面，达到减摩防粘、减少流动阻力的要求4.4 热模拟结果为了研究如何使冷却模块更好把 LED 多芯片阵列产生的热量带走，我们用 CFD 流 体软件进行了一系列模拟分析，主要有冷却模块内部的 pins 结构、流体流速对芯片最高 温度、芯片之间温度差别、整个模块在允许工作温度下能耗散的总热功率以及模块表面 温度分布等方面的影响。(1) 芯片温度分布与冷却模块内部结构关系。冷却模块内部没有 pins 时流体的流动方向以及各个芯片最高温度。可以看出流体从中间入口流入后，由于内部没有其他阻挡，大部分水流直接流向出口，只有少部分水流由于在出口的回流向模块侧面流动，因此阵列两侧的芯片温度相对中心的芯片要高。看出两侧芯片的最高温度为 52.4oC，最低温度约为 46oC。我们期望冷却模块内部 pins array 的引入能加强传热能力并增加与内部流体之间的 传热系数。内部 pins 阵列的引入首先考虑其在冷却模块内部的位置，从中我们可以看到阵列发光模块的热点在芯片的正下方，因此我们将 pins array 直接埋在芯片正下方的位置，每个pin 的尺寸为芯片的一半冷却模块内部有 pins array 时流体的流动情况以及各个芯片的最高温度。从中可以看出水流进入模块后由于受到 pins 的阻挡，有一部分向两侧分流。阵列中温度最高的芯片为 44.38oC，最低的为 39.32 oC。比没有内部 pins 的冷却情 况要低将近 8 oC。从图21 温度场分布情况可以看出热量的流动情况：热量从芯片底部产生，由金 属层和介质层传导到具有微流通道的冷却模块上，接着传导到模块的内部 pins 上，然后通过 pins 与内部流动冷却液的对流热交换方式，由流动的冷却液把热量带走。(2) 冷却模块上表面温度分布与芯片耗散功率的关系沿着水流动的方向，冷却模块上表面中心线温度的分布情况，从中可以看出在芯片热区内，沿着水流动的方向，温度的差别很大，上游以及下游的芯片温度明显小于中心的温度，并且上游的芯片温度略微低于下游的芯片温度。特别是当芯片的负载热功率增加到10W/芯片时，这种差别更明显。在垂直水流的方向上，冷却模块的温度差别很小。造成这种现象的原因主要是：第一，冷却模开，而中心位置的芯片受其他芯片产生的热场影响比较大，不利于散热，因此温度较高； 第二，下游的流体由于经过了预热，因此传热性能要稍微差一些。 (3)、阵列模块总耗散功率、芯片最高温度与流体流速之间的关系图20为在 1m/s 和 2m/s 流速条件下模拟得到总耗散功率与芯片最高温度的关系， 两者之间基本成线性关系，即芯片功率的增加，芯片温度也随之增加。从该图中可以看 出，当流速为 1m/s，总耗散功率达到 300W，即每个芯片驱动到 12W 时，芯片的最高温度仍然在 80oC 以下图20 不同流速下系统总耗散功率与芯片最高温度的关系曲线LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低，耗 电量小，发光效率高，发光响应时间极短，光色纯，结构牢固，抗冲击，耐振动，性能 稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等一系列特性，发展突飞猛进，现已能批量生产整 个可见光谱段各种颜色的高亮度、高性能产品。专业人士预测白光 LED 光源在未来 1020 年内将逐步取代白炽灯、荧光灯和节能灯，应用于家用普通照明领域，并开始应用于汽车前照大灯，这是一项破坏性的技术创新。可以说，LED 光源的发展将会冲击国家的经济、全球环境及技术的发展。本文先介绍了 LED 发展的整体趋势及其封装结构，然后针对主要的热问题展开了 研究，设计出 microjet 冷却系统，并做了一些实验来测试效果。主要工作包括以下几个 方面：1.研究了目前国际白光HB-LED封装主流技术，提出了自己的封装设计方案，并把 倒装焊技术和引线键合两种芯片电气连接技术相结合，研究了白光HB-LED整个封装工 艺过程。2.介绍了LED常用散热方法，包括风冷与热沉散热、热管散热和热电制冷技术。分析了微喷射流冷却系统的优势，将微喷冷却技术用于LED阵列，通过研究微喷冷却系统 的结构，设计微喷冷却系统，进行微喷水冷系统的热模拟与分析，温度