半导体照明课件-18-LED散热技术

1、 LED 散热设计 对于一般照明使用，将需要大量的LED元件集成在一块模组中以达到所需之照度。但LED的光电转换效率不高，大约只有15%至20%左右电能转为光输出，其余均转换成为热能。 热量是LED的最大威胁之一，不仅影响LED的电气性能，最终导致LED失效。如何让LED保持长时间的持续可靠工作是目前大功率LED器件封装和系统封装的关键技术。 LED 散热设计 对于一般照明使用，将一、热量来源 对于由PN结组成的发光二极管，当正向电流从PN结流过时，PN结有发热损耗，这些热量经由粘结胶、灌封材料、热沉等，辐射到空气中。 在这个过程中每一部分材料都有阻止热流的热阻抗，也就是热阻，热阻是由器件的尺

2、寸、结构及材料所决定的固定值。一、热量来源热阻(thermal resistance) 结构对热功率传输所产生的阻力称为热阻。式中RT为两点间的热阻， 为两点间的温度差，PD为两点间的热功率流。表示单位耗散功率所引起的结温升高(CW，或K/W。) 热阻(thermal resistance)式中RT为两总热阻为各层热阻之和 热阻反映阻止热量传递能力的综合参量。单位：/W总热阻为各层热阻之和 热阻反映阻止热量传递能力的综合参量。单一、热量来源 设发光二极管的热阻为Rth (0C/W)，热耗散功率为PD (W)，此时由于电流的热损耗而引起的PN结温度上升为: PN结结温为: 其中TA为环境温度。

3、一、热量来源二、热量对LED的影响 LED发光过程中产生的热量将会造成LED模组的温度上升，当温度升高:1. 发光强度降低： 随着芯片结温的增加，芯片的发光效率也会随之减少，LED亮度下降。同时，由于热损耗引起的温升增高，发光二极管亮度将不再继续随着电流成比例提高，即显示出热饱和现象。二、热量对LED的影响二、热量对LED的影响2. 发光主波长偏移 随着结温的上升，发光的峰值波长也将向长波方向漂移，约0.2-0.3nm/0C，这对于通过由蓝光芯片涂覆YAG荧光粉混合得到的白光LED来说，蓝光波长的漂移，会引起与荧光粉激发波长的失配，从而降低白光LED的整体发光效率，并导致白光色温的改变。二、热

4、量对LED的影响二、热量对LED的影响2. 发光主波长偏移3. 严重降低LED的寿命，加速LED的光衰。二、热量对LED的影响三、LED的散热考虑 对于功率LED来说，驱动电流一般都为几百毫安以上，PN结的电流密度非常大，所以PN结的温升非常明显。 对于封装和应用来说，如何降低产品的热阻，使PN结产生的热量能尽快的散发出去，不仅可提高产品的饱和电流，提高产品的发光效率，同时也提高了产品的可靠性和寿命。三、LED的散热考虑三、LED的散热考虑 为了降低产品的热阻： 首先,封装材料的选择显得尤为重要，包括支架、基板和填充材料等，各材料的热阻要低，即要求导热性能良好。 其次,结构设计要合理，各材料间

5、的导热性能连续匹配，材料之间的导热连接良好，避免在导热通道中产生散热瓶颈，确保热量从内到外层层散发。三、LED的散热考虑三、LED的散热考虑 LED散热主要从3个方面着手：第一，从芯片到基板的连接材料的选取；第二，基板材料的选取；第三，基板外部冷却装置的选取和基板与外部冷却设备连接材料的选取。三、LED的散热考虑三、LED的散热考虑1. 芯片到基板的连接材料的选取 普通用来连接芯片和基板采用的是银胶。但是银胶的热阻很高，而且银胶固化后的内部结构是：环氧树脂骨架和银粉填充式导热导电结构，这样的结构热阻极高，对器件的散热与物理特性稳定极为不利，因此, 选择的粘接物质是锡膏。三、LED的散热考虑三、

6、LED的散热考虑2. 接着就是基板的选择 上表是常见的基板和支架的材料导热系数，由表知，银、纯铜、黄金的导热系数相对其他较高 但银、纯铜、黄金价格高，为了取得很好的性价比纯铝的导热系数，因此基板采用的是铜或铝质地。三、LED的散热考虑三、LED的散热考虑3. 基板外部冷却装置的选取 大功率LED器件在工作时大部分的损耗变成热量，若不采取散热措施，则芯片的温度可达到或超过允许的节温，器件将受到损坏，因此必须加散热装置。 最常用的是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，它的主要热流方向是由芯片传到器件的底下，经散热器将热量散到周围空间。三、LED的散热考虑三、LED的散热考虑3.

7、 基板外部冷却装置的选取 散热器由铝合金板料经冲压工艺和表面处理制成，表面处理有电泳涂漆或黑色氧化处理，目的是提高散热效率和绝缘性能。 散热器散发的热能与环境温度的温差大致成正比，对流的速度越快，则散热器本身的热阻也就越小。 三、LED的散热考虑三、LED的散热考虑4. 基板与外部冷却设备连接材料的选取 就界面热阻而言，空气间隙是最大的敌人。 尽管基板与散热器之间肉眼能观察到的间隙很小，但是由于材料表面的不平整，实际还是存在着细微的空隙。 由于空气的界面热阻很大，不利于扩散，故大大增加了整体界面的热阻。三、LED的散热考虑三、LED的散热考虑4. 基板与外部冷却设备连接材料的选取 根据分析，减

8、低界面热阻的方法为:增加材料表面的平整度，减小空气的容量；施加接触压力。因此在基板和外散热器的填充物质上，选择导热的硅树脂。三、LED的散热考虑四、散热机制 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120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。四、散热机制四、散热机制 从热能分析，假设Q=发散功率 (Pd) = Vf X 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。四、散

9、热机制四、散热机制1. 热传导 首先考虑热源是均匀地加载在导热材料的整个表面的情况，由Fourier导热定律得知，热流密度与温度梯度成正比:四、散热机制四、散热机制1. 热传导 其中k为热导率，A为面积，x为导热材料的厚度，q为热流密度，表示单位面积的耗散的功率。 对于多层复合材料，总热阻可以简化为: （1）四、散热机制四、散热机制1. 热传导 以下图两层材料的热传导为例: 四、散热机制四、散热机制1. 热传导 从式（1）和式（2）大致可以得到解决散热的基本方法: 减少材料的厚度并选用高热导率的材料。 但是高热导率材料如铜等材料，同时也会引入比较大的残余应力，并且粘片时，需要比较厚的粘结层。这

10、样势必会增加多余的接触热阻。四、散热机制四、散热机制1. 热传导 封装之热阻公式大多用 来描述： 其中Tj为芯片的结区温度，Ta为环境温度，Q为芯片发热功率。 同一加热功率与环境温度下，热阻越大，即代表有更多的热量不能从封装中散出，而积聚在芯片的内部，使芯片的结区温度T，升高越快，可靠性也越差。四、散热机制四、散热机制2. 对流情况 热交换发生在固体和流体之间的界面，由流体的流动而带走表面的热量，由Newton冷却定律得到对流的热交换公式： （3） A为材料的横截面积。四、散热机制四、散热机制2. 对流情况 由（3）式得到对流热交换的热阻公式： （4）（4）中h为热传导系数，A*为参与热对流热

11、对流面积。 由于对流交换的热量跟对流的表面积成正比，因此需要优化微流通道的结构，从而提高散热面积A*；另外一方面提高传热系数h。 四、散热机制四、散热机制2. 对流情况 将式（1）和式（4）两个式子合并在一起，可以得到热传导和热对流共同起作用的传热机制，总热阻公式： （5） （5）中f为A*/A，A*为参与热对流的面积，A为材料的横截面积，作为表面增强因子，与微流通道的内部结构有关。四、散热机制四、散热机制2. 对流情况 通过 的计算，我们可以初步估计封装器件最大的温度差别T，即（T1-T2），或者在某种冷却条件下，封装所能容纳的最大热对流密度。四、散热机制五、制冷器件 传统制冷方法有：空气制

12、冷、水冷、热管制冷、帕尔贴效应元件制冷(半导体制冷)等。 现在有些新方法也被陆续提出来，比如超声制冷、超导制冷、以及将多种制冷方法有效集成在一个器件之中。 下面我们简单介绍几种制冷方法。五、制冷器件五、制冷器件1. 空气制冷（1）.热沉 热沉的热传导率的系数可以通过几种方法来改变，最流行的方法是加快通过热沉的气流速度。 但将气流速度增加到10m/s时会引入噪音。五、制冷器件五、制冷器件1. 空气制冷（1）.热沉 另一种方法是改变热沉的形状，通过这种方法，来扩大有效的散热面积。 散热器形状可设计成多种阵列形状，如圆柱阵列、条形阵列，或者金字塔的形状等。五、制冷器件五、制冷器件1. 空气制冷（1）

13、.热沉 五、制冷器件五、制冷器件1. 空气制冷（2）.风扇 通常同时使用散热器和风扇结合的方式，散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器。 散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的充分扩展的表面使热对流大大增加，同时流通的空气也能带走更大的热能。五、制冷器件五、制冷器件1. 空气制冷(2).风扇 风扇的设计要达到两个要求：让冷却功能更有效，噪音更小。五、制冷器件五、制冷器件2. 水冷 水冷系统由泵、热沉、导水管等部件组成，泵负责驱动水循环，芯片上的热量传给水，采用液体流动来带走热量，导水管把热水传送到热沉。热沉和芯片不在一块，可以有效提高散热能力，热沉起散热作用。五、制冷器

14、件五、制冷器件2. 水冷 一块中空的金属盘与芯片相接，液体在其内部的凹槽流过，芯片将热量传导到底盘，底盘再将热量传给液体，然后这些液体流过热沉，在那里它将热量释放到空气中。冷却后，这些液体就再次进入那个底盘中。 另外采用微流通道的微结构可以增大液体与热沉的接触面积，从而大幅度增加温降，延长器件的使用寿命。五、制冷器件五、制冷器件2. 水冷 有些冷却装置中使用热管来散热，由热管来带走CPU或电子芯片表面的热量，热管里的冷却剂被加热后变为气体，在热管中上升，到达上部时，被流动的空气冷却，空气带走热量，冷却剂降温又变为液体，往下流动。如此周而复始。五、制冷器件五、制冷器件3. 热电制冷 热电制冷又称

15、作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（即帕尔帖效应）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。五、制冷器件五、制冷器件3. 热电制冷 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。五、制冷器件五、制冷器件3. 热电制冷 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将