LED制造技术与应用(十一)课件

LED制造技术与应用(十一)与LED应用有关的技术问题介绍2012-5-3LED制造技术与应用(十一)与LED应用有关的技术问题介绍1白光LED的制作2-1制作白光LED的三种主要方法

2-2大功率白光LED的制作白光LED的制作22-1制作白光LED的三种主要方法2-1制作白光LED的三种主要方法3方法一、蓝光LED+YAG荧光粉日亚化学(Nichia)提出以460nm波长的InGaN蓝光晶粒涂上一层YAG（yttriumaluminumgarnet，钇铝石榴石）荧光物质，利用蓝光LED照射此荧光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便可得出肉眼所需的白光。这也是目前主要的商品化作法。白光LED开发基础在于蓝光技术，目前仍以日亚化学领先，拥有众多专利权。方法一、蓝光LED+YAG荧光粉日亚化学(Nichia)提出4优点：效率高、制备简单、温度稳定性较好、具有实用性。缺点：是荧光粉与胶混合后，均匀性较难控制。由于荧光粉易沉淀，导致布胶不均匀、布胶量不好控制，因而造成出光均匀性差、色调一致性不好、色温偏高且随角度变化，显色性不够理想。涂覆YAG黄色荧光粉优缺点优点：涂覆YAG黄色荧光粉优缺点5方法二、紫外LED+RGB荧光粉

1997年飞利浦提出利用紫外光激发RGB荧光粉产生三色光来混合形成白光的发明专利，但该专利未涉及具体荧光粉的组成。优点：显色性好、光色均匀，无偏色，制备简单。缺点：目前，LED芯片出光效率较低，有紫外光泄漏问题；而且用于封装的环氧树脂在紫外光照射下易分解老化，从而使透光率下降；荧光粉温度稳定性问题有待解决。方法二、紫外LED+RGB荧光粉1997年飞利浦提6方法三、三基色LED合成白光白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度69%，红色的亮度为21％，蓝色的亮度为10％时，混色后人眼感觉到的是纯白色。使用InGaAlP(红)，GaN(蓝)，GaN(绿)为材质的三颗LED，分别控制通过LED电流发出红，蓝及绿光，因为这三颗晶粒是放在同一个灯泡中，透镜可将发出的光加以混合而产生白光。光强的比例通常为3：6：1。方法三、三基色LED合成白光白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而7优点：效率高、色温可控、显色性较好。缺点：三基色光衰不同导致色温不稳定，当点亮发热后，三基色光的主波长漂移也不同；控制电路较复杂、成本较高；温度的变化会引起色温偏差。三基色多芯片组白光LED的优缺点。优点：效率高、色温可控、显色性较好。三基色多芯片组白光LE8W级功率白光LED的光、电、热通道电学通道：电流比较大，一般是几十毫安到几百毫安以上，所以这种电流通道要考虑好。光学通道：蓝光产生、黄光产生、剩余的蓝光与产生的黄光比例、蓝光黄光的重叠等。热学通道：散热问题(金线直径，耐冲击，热膨胀)(硅凝胶/硅树脂，折射率1.5)(固晶胶，共晶焊，接触面积)大功率白光LED设计中的主要问题：2-2大功率白光LED的制作W级功率白光LED的光、电、热通道电学通道：电流比较大，一般9与LED应用有关的技术问题介绍一.LED的驱动方式二.LED的散热技术三.

LED的光学设计四.LED的防静电控制与LED应用有关的技术问题介绍10与LED应用有关的技术问题介绍一.LED的驱动方式二.LED的散热技术三.

LED的光学设计四.LED的防静电控制与LED应用有关的技术问题介绍111.LED的驱动概念由于LED是特性敏感的半导体器件，不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念。

LED实际上是一个2～3伏的低电压驱动的单向导电器件，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源适配器。

LED驱动应具有直流控制、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小型尺寸以及简便易用等特点。1.LED的驱动概念由于LED是特性敏感12给LED供电的电源必须注意以下事项:（1）LED是单向导电器件，由于这个特点，就要用直流电流或者单向脉冲电流给LED供电。（2）LED是一个具有PN结结构的半导体期间，具有势垒电势，这就形成了导通阈值电压，加在LED上的电压值超过这个阈值电压时LED才会充分导通。不同颜色的LED阀值电压不同，黄绿红1.4V就可以驱动，像蓝，紫，白，橙的驱动电压是2.5V以上。（3）LED的I-V特性是非线性的，流过LED的电流在数值上等于供电电源的电动势减去LED的势垒电势后再除以回路的总电阻(电源内阻、引线电阻和LED体电阻之和)。因此，流过LED的电流和加在LED两端的电压不成正比。LED伏安特性曲线给LED供电的电源必须注意以下事项:（1）LED是单向导电器13（4）LED的PN结的温度系数为负，温度升高时LED的势垒电势降低。由于这个特点，所以LED不能直接用电压源供电，必须采用限流措施，否则随着LED工作时温度的升高，电流会越来越大，以至损坏LED。（5）流过LED的电流和LED的光通量的比值也是非线性的。LED的光通量随着流过LED的电流增加而增加，但却不成正比，越到后来光通量增加得越少。因此，应该使LED在一个发光效率比较高的电流值下工作。（4）LED的PN结的温度系数为负，温度升高时LED的势垒电142.LED的驱动方式LED的驱动方式一般使用恒定电流源和恒定电压源进行控制。图2.1

LED的恒流驱动(串联)图2.2

LED的恒流驱动(并联)2-1

LED的恒定电流源驱动：√分选，测试2.LED的驱动方式LED的驱动方式一般使用恒定电流源和152-2

LED的恒定电压源驱动：图2.1

LED的恒压驱动(串联)图2.2

LED的恒压驱动(并联)每种驱动方式均有优缺点，根据LED产品的要求、应用场合，合理选用LED驱动方式，精确设计驱动电源成为关键。一般的整流电路的输出电压随着电网电压的波动也会变化，由此可知，采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的特性。因此，LED驱动通常采用恒流源驱动。理想的LED驱动方式是采用恒压、恒流方式，但驱动器的成本会增加。2-2LED的恒定电压源驱动：图2.1LED的恒压驱162-3-1镇流电阻方案这是一种极其简单，自LED面世以来至今还一直在用的经典电路。LED工作电流I按下式计算：

I与镇流电阻R成反比；当电源电压U上升时，R能限制I的过量增长，使I不超出LED的允许范围。2-3典型LED驱动电路(实现恒流，恒压的电路)此电路的优点是简单，成本低；缺点是电流稳定度不高；电阻发热消耗功率，导致用电效率低，仅适用于小功率LED范围。镇流电阻R的计算公式是：按此公式计算出的R值仅满足了一个条件：工作电流I。而对驱动电路另两个重要的性能指标：电流稳定度和用电效率，则全然没有顾及。因此用它设计出的电路，性能没有保证。2-3-1镇流电阻方案2-3典型LED驱动电路(实现恒流172-3-2镇流电容(降压)电路电容降压电路是一种常见的小电流电路，由于其具有体积小、成本低、电流相对恒定等优点，也常应用于LED驱动电路中。此方案的优点是简单，成本低，供电方便；缺点是电流稳定度不高，效率也不高。仅适用于小功率LED范围。当LED的数量较多，串联后LED支路电压较高的场合更为适用。2-3-2镇流电容(降压)电路此方案的优点是简单，成本低，18上面已经提到电阻、电容镇流电路的缺点是电流稳定度低（△I/I达±20～50％），用电效率也低（约50～70％），仅适用于小功率LED灯。为满足中、大功率LED灯的供电需要，利用电子技术常见的电流负反馈原理，设计出许多恒流驱动电路。像直流恒压电源一样，按其调整管是工作在线性，还是开关状态，恒流驱动电路也分成两类：线性恒流驱动电路和开关恒流驱动电路。右图是最简单的两端线性恒流驱动电路。它借用三端集成稳压器LM337组成恒流电路，外围仅用两个元件：电流取样电阻R和抗干扰消振电容C。2-3-3线性恒流驱动电路上面已经提到电阻、电容镇流电路的缺点是电流稳定度低（△I/I192-3-4、开关恒流驱动电路A．直流低压开关恒流驱动电路a.由分立元件构成的开关恒流驱动电路2-3-4、开关恒流驱动电路A．直流低压开关恒流驱动电路a.20b.由IC构成的开关恒流驱动电路b.由IC构成的开关恒流驱动电路21B．交流220V开关恒流驱动电路B．交流220V开关恒流驱动电路22与LED应用有关的技术问题介绍

一.LED的驱动方式二.

LED的散热技术三.

LED的光学设计四.

LED的防静电控制与LED应用有关的技术问题介绍23散热问题是当前半导体照明技术发展的技术瓶颈光电转换效率:•白炽灯～3%•荧光灯～15%•LED灯~20%-40%(约60%~80%能量转化为热量)在结温60~80度时，Xlamp热转换效率约70~80%散热问题是当前半导体照明技术发展的技术瓶颈光电转换效率:•白241、

热量的来源-结温的产生LED的光效目前只有100lm/W，其电光转换效率大约只有20~40%左右。也就是说大约70%的电能都变成了热能。具体来说，LED结温的产生是由于两个因素所引起的。1．内部量子效率不高，也就是在电子和空穴复合时，并不能100％都产生光子，通常称为由“电流泄漏”而使PN区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率，也就是转化为热能，但这部分不占主要成分，因为现在内部光子效率已经接近90％。2．内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，这部分是主要的，因为目前这种称为外部量子效率只有30％左右，大部分都转化为热量了。1、热量的来源-结温的产生LED的光效目前只有100l25Cree公司发布的光衰与结温的关系图照阿雷纽斯法则温度每降低10℃寿命会延长2倍。2、结温的影响(危害)：Cree公司发布的光衰与结温的关系图照阿雷纽斯法则温度每降26假如以结温25度时的发光为100%，那么结温上升至60度时，其发光量就只有90%；结温为100度时就下降到80%；140度就只有70%。可见改善散热，控制结温是十分重要的事。

Cree公司XLamp7090XR-E的发光量和结温的关系图假如以结温25度时的发光为100%，那么结温上升至60度时，27温度上升----主波长受影响：蓝光向短波长漂移,其它颜色向长波长漂移(红光)温度上升----相关色温(CCT)：白光的相关色温升高,其它色温将下降;温度上升----正向电压：正向电压下降;温度上升----反向电流增大;温度上升----热应力增大;温度上升----如是带荧光粉,环氧树脂的led,温度上升将导致这些材料发生劣化;上述也只是部分温度过高对LED部分性能产生影响,实际受影响的远远不止这些,严重的将导致LED灯失效;温度上升----元器件的使用寿命减少;

温度上升----发光效率下降;温度上升----元器件的使用寿命减少;28减少热量产生：LED产生热量的多少取决于内量子效应。在氮化镓材料的生长过程中，应改进材料结构，优化生长参数，以获得高质量的外延片，从而提高器件内量子效率，提高芯片的发光效率，从根本上减少热量的产生;

—上中游产业完成3-1降低LED温度的两种方式：(2)促进热量发散：系统集成，改进LED散热结构，加快内部热量的传导和散发，提高换热效率，以有效地降低芯片温度。

—灯具散热设计的主要工作3、LED的热管理(ThermalManagement)：减少热量产生：LED产生热量的多少取决于内量子效应。在氮化29热传导

热对流/热辐射二次散热设计研究方向LED模组散热器热传导热对流/热辐射二次散热设计研究方向LED模组散热303-2热量传递的三种基本方式：3-2热量传递的三种基本方式：313-2-1热传导(spreading)3-2-1热传导(spreading)323-2-2热对流(Convection)3-2-2热对流(Convection)33LED制造技术与应用(十一)课件34主动对流和强制对流的比较：

主动对流和强制对流的比较：35PassivePassivePassivePassiveActiveActivePassivePassivePassivePassiveAc363-2-2热辐射(radiation)3-2-2热辐射(radiation)37LED制造技术与应用(十一)课件384、LED散热技术介绍LED的热流模型所以从芯片产生的热量到空气的总热阻就应该是：Rja=Rj1

+

(Rj2

+

Rj3

+

Rj4)

+

Rj5

+

Rj6

+

Rj7

Rj1：芯片基板的热阻Rj2：焊料的热阻Rj6：铝基板PCB的热阻Rj4：导热硅胶的热阻Rj7：散热器热阻Rj5：热沉的热阻Rj3：焊料的热阻4、LED散热技术介绍LED的热流模型所以从芯片产生的热量到394-1晶片层级散热技术-衬底的选择4-2封装层级散热技术-热沉的选择4-3

PCB层级散热技术4-4界面散热技术4-5系统模组层级散热技术(散热片设计)热传导热对流热辐射4-1晶片层级散热技术-衬底的选择4-5系统模组层级散热404-1晶片层级散热技术4-1晶片层级散热技术41蓝宝石和碳化硅衬底的LED结构图4-1-1衬底的选择-SiC

蓝宝石和碳化硅衬底的LED结构图4-1-1衬底的选择-S424-2封装层级散热技术当LED功率往更高效提升时，整个LED的散热瓶颈将出现在LED热沉(晶粒基板)，如何将LED晶粒所产生的热能有效的从晶粒传导至系统电路板，是该层级散热技术的主要目的。4-2封装层级散热技术当LED功率往更高效提升时，整个LED434-2-1封装方式对热阻的影响4-2-1封装方式对热阻的影响44Tj1：采用一般银导热胶、铝金属热沉；Tj2

：采用新导热胶、铜金属热沉。

结温与芯片尺寸的关系Tj1：采用一般银导热胶、铝金属热沉；结温与芯片尺寸的关系2001年，LumiLeds

公司研制出了AlGalnN

功率型倒装芯片结构。LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样热量不必经由蓝宝石衬底，而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座，由于其有源发热区更接近散热体，可降低内部热沉热阻。4-2-2倒装芯片结构-Lumileds但是，热阻与热沉的厚度成正比，受硅片机械强度与导热性能所限，很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻，制约了其传热性能的进一步提高。2001年，LumiLeds公司研制出了AlGalnN46各种合金的导热系数表4-2-3热沉材料的选择-Cu/Al

金属复合材料基板铜基板Al基板各种合金的导热系数表4-2-3热沉材料的选择-Cu/Al47

Lumileds

公司2006年推出的LuxeonK2功率型LED采用了一个铜热沉来强化散热，达到很好的散热效果。Lumileds公司2006年推出的LuxeonK484-2-4热沉材料的选择-陶瓷由陶瓷烧结而成得LED基板，有散热性佳、耐高温、耐潮湿等优点。降低LED晶粒陶瓷散热基板的热阻为目前提升LED发光效率最主要的课题之一，若依其线路制作方法可区分为厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、以及薄膜陶瓷基板三种，分别说明如下：4-2-4热沉材料的选择-陶瓷由陶瓷烧49厚膜陶瓷基板乃采用网印技术生产，藉由刮刀将材料印制于基板上，经过干燥、烧结、雷射等步骤而成，目前台湾厚膜陶瓷基板主要制造商为禾伸堂、九豪等公司。一般而言，网印方式制作的线路因为网版张网问题，容易产生线路粗糙、对位不精准的现象。因此，对于未来尺寸要求越来越小，线路越来越精细的高功率LED产品，亦或是要求对位准确的共晶或覆晶制程生产的LED产品而言，厚膜陶瓷基板的精确度已逐渐不敷使用。厚膜陶瓷基板厚膜陶瓷基板乃采用网印技术生产，藉由刮刀将材50LaminaCeramics公司研制了低温共烧陶瓷金属基板。低温共烧多层陶瓷技术，以陶瓷作为基板材料，将线路利用网印方式印刷于基板上，再整合多层的陶瓷基板，最后透过低温烧结而成，采用共晶焊技术将基板与大功率LED芯片直接焊接在一起即刻。而其台湾主要制造商有璟德电子、鋐鑫等公司。低温共烧多层陶瓷基板之金属线路层亦是利用网印制程制成，同样有可能因张网问题造成对位误差，此外，多层陶瓷叠压烧结后，还会考量其收缩比例的问题。因此，若将低温共烧多层陶瓷使用于要求线路对位精准的共晶/覆晶LED产品，将更显严苛。低温共烧多层陶瓷LaminaCeramics公司研制了低温共烧陶瓷金属基板51为了改善厚膜制程张网问题，以及多层叠压烧结后收缩比例问题，近来发展出薄膜陶瓷基板作为LED晶粒的散热基板。薄膜散热基板乃运用溅镀、电/电化学沉积、以及黄光微影制程制作而成，具备：(1)低温制程(300℃以下)，避免了高温材料破坏或尺寸变异的可能性；(2)使用黄光微影制程，让基板上的线路更加精确；(3)金属线路不易脱落…等特点，因此薄膜陶瓷基板适用于高功率、小尺寸、高亮度的LED，以及要求对位精确性高的共晶/覆晶封装制程。而目前台湾主要以瑷司柏电子与同欣电等公司，具备了专业薄膜陶瓷基板生产能力。薄膜陶瓷基板为了改善厚膜制程张网问题，以及多层叠压烧结后收缩比例问题，近52德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板(AlN或)和导电层(Cu)在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强，如图所示。高导热性覆铜陶瓷板德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板(53采用类钻碳(DiamondLikeCarbon，DLC)的镀膜可以大大改善LED的散热最近台湾的钻石科技开发出了钻石岛外延片(DiamondIslandsWafer，DIW)做为生产超级LED的基材。这种LED的热阻可以低至<5°C/W。用它制成的超级LED可发出极强的紫外光，其强度不因高温而降低，反而会更亮。4-2-5热沉材料的选择-DLC采用类钻碳(DiamondLikeCarbon，DLC)54用DLC镀膜和铝结合可以比其它结构的LED有更好的散热特性用DLC镀膜和铝结合可以比其它结构的LED有更好的散热特性554-3

PCB板级散热技术系统电路板主要是作为LED散热系统中，最后将热能导至散热鳍片、外壳或大气中的材料。现在各大LED产商一般采用的金属线路板(MCPCB)结构利用具有极佳热传导性质的铝等金属，将芯片封装到覆有几毫米厚铜电极的PCB板上，或者将芯片封装在有金属夹层的PCB板上，然后再封装到散热片上来解决散热问题。4-3PCB板级散热技术系统电路板主要是56LED制造技术与应用(十一)课件57

铝基板PCB由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层等组成。具有绝缘层薄、热阻小、无磁性、热容大、散热好的特点。

1、电路层要求具有很大的载流能力，因此要使用较厚的铜箔作电路，厚度约35μm~280μm;

2、导热绝缘层是PCB铝基板核心技术所在，它是由特种陶瓷填充的特殊聚合物构成，具有热阻小、粘弹性能优良、抗老化、可承受机械及热应力等特点。该系列的PCB铝基板具有优良的导热性能和高强度的电气绝缘性能。其工艺要求：镀金、喷锡、OPS抗氧化、沉金、无铅ROHS制程等。

3、金属基层：铝。铝基板PCB由电路层(铜箔层)、导热绝58LED制造技术与应用(十一)课件594-3-1

Cree热电分离LED4-3-1Cree热电分离LED60LED制造技术与应用(十一)课件61OSRAM公司推出的Golden

Dragon系列LED系统，其结构特点是热沉与金属线路板直接接触，具有很好的散热性能;其芯片用红外或回流焊焊接在铜合金热扩散层上，热扩散层再焊接在铝芯的PCB板上。4-3-2

Golden

Dragon

系列LEDOSRAM公司推出的GoldenDragon系列LED62LaminaCeramics开发的金属低温共烧陶瓷(LTCC-M)的多层印刷电路板制造，将多层陶瓷通过低温烧结在铜钼铜(CuMoCu)金属上，共烧收缩率缩小到了大约0.1%，远远低于标准LTCC和HTCC工艺的12.7%～15%。钼铜复合材料具有与芯片相近的热膨胀系数，而陶瓷层具有很高的介电性，LED芯片可以直接安装到金属板层上。优良的导热性能使LaminaCeramics可以高密度的排列多个LED发光点，从而在小面积内得到异常高的光强。4-3-3

Lamina

Ceramics

系列LEDLaminaCeramics开发的金属低温共烧陶瓷(L634-4界面散热所谓界面散热就是将LED的热量导出来到散热结构上的过程。通常采用导热膏，焊锡，导热绝缘垫等热导率比较高的粘贴材料，同时减小粘接材料层的厚度，设计中尽量减少热阻。4-4界面散热所谓界面散热就是将LED的热量导出来到散热结64LED的热流模型所以从芯片产生的热量到空气的总热阻就应该是：Rja=Rj1

+

(Rj2

+

Rj3

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Rj4)

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+

Rj7

Rj1：芯片基板的热阻Rj2：焊料的热阻Rj6：铝基板PCB的热阻Rj4：导热硅胶的热阻Rj7：散热器热阻Rj5：热沉的热阻Rj3：导热硅胶的热阻LED的热流模型所以从芯片产生的热量到空气的总热阻就应该是：65

4-4-1

共晶焊连接(芯片-热沉)4-4-1共晶焊连接(芯片-热沉)66

4-4-2导热胶连接(与散热器连接)4-4-2导热胶连接(与散热器连接)67LED制造技术与应用(十一)课件68LED制造技术与应用(十一)课件69LED制造技术与应用(十一)课件70LED制造技术与应用(十一)课件71LED制造技术与应用(十一)课件72热管导热原理回路热管

4-4-3导热管连接热管导热原理回路热管4-4-3导热管连接73利用铜的良好导热性，利用铜管给50瓦LED散热利用铜的良好导热性，利用铜管给50瓦LED散热744-5系统模组层级散热技术(散热器设计)4-5系统模组层级散热技术(散热器设计)75LED制造技术与应用(十一)课件76目前常用的散热技术有风冷、水冷、微管道散热、热管技术等。(a)风冷散热器的原理很简单:芯片耗散的热量通过粘接材料传导到金属底座上，再传导到散热片上，通过自然对流或强制对流把热量散发到空气中。传导和对流是两种主要的传热方式。1、

采用导热性能好的材料作散热器：常用的散热器材主要是铝和铜。2、

增大散热器的散热面积：散热面积越大，其热容量越大。为提高换热系数，可采用波纹状肋面制造紊流。3、

强迫风冷：选择合适的风扇或鼓风机，加快散热片周围空气的流动，可以改善气流组织，提高对流换热系数，从而改善散热效果。(b)水冷又称为液冷。它的散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，且无风冷散热的高噪音，能较好地解决降温和降噪问题。水冷散热装置大致可分为微型水泵、循环管、吸热盒和散热片四个部分。

4-5-1常用的散热器技术目前常用的散热技术有风冷、水冷、微管道散热、热管技术等。(a77用导热性能好的材料

散热器的整个有效面积要考虑的因素

散热片之间的距离

散热片的长度

散热片的厚度散热片的摆放位置

用放热系数较大的表面处理

为了保证模组和散热器之间的热传导，要用导热介质。。。。。

4-5-2散热器设计需要考虑的因素用导热性能好的材料4-5-2散热器设计需要考虑的78需要考虑的因素(1)用导热性能好的材料

LED散热选材原则:①导热性能好——相对其它固体材料，金属具有更好的热传导能力；

②易于加工——延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺；

③易获取——金属但供货量大，不需特殊工序，价格也相对低廉；铝的导热系数较高，加工性能好，表面处理技术成熟且成本低廉，现阶段主要通过铝制散热器进行散热。铝制散热器表面处理技术成熟，可通过阳极氧化来提高表面辐射率，增加辐射热交换。需要考虑的因素(1)用导热性能好的材料LED散热选材原79如上图，在LED背面铝基板加散热U型板或者类似可以直接传导散热的导热材料，这种方法适用于10瓦以下的散热设计，但这种方式的散热部件必须有足够小的热阻和足够大的散热面积。如上图，在LED背面铝基板加散热U型板或者类似可以直接传导散80(2)散热器的整个有效面积要考虑的因素散热器采用鳍片的形状是为了加大散热面积。以利于辐射散热和对流散热。散热器的最重要指标就是它的散热面积A，但是散热器的不同部位的散热效果是不同的。在根部的散热效果就差，而在顶部的散热效果就好。所以散热器有一个有效散热面积。它通常是实际面积的70%左右。从经验得出，一般要散1W功率的热量大约需要50-60平方厘米的有效散热器面积。(2)散热器的整个有效面积要考虑的因素散热器采用鳍片的形状是81

上图是台湾产的一个样灯，是40瓦LED的散热设计，利用增加和空气的接触面积来给LED散热，保证了LED的光效和寿命。上图是台湾产的一个样灯，是82为了加大散热面积，通常会采用增加高度的方法。但是，高度增加到一定程度以后其作用会越来越小。下图表明增加高度对于降低结温的影响的一个例子。由图中可以看出，高度增加到40mm以后，结温的降低就很慢了。LED结温随散热器的高度增加而降低(3)散热片的厚度为了加大散热面积，通常会采用增加高度的方法。但是，高度增加到83加大长度也是加大面积的一个方法。但是并不是长度越长越好。由图可知长度增加到一定程度后，结温不但不再降低，反而会升高。这是因为空气在沿长度方向的流动受到阻碍所致(主要对于垂直放置的鳍片为如此)。结温和长度的关系(4)散热片的长度加大长度也是加大面积的一个方法。但是并不是长度越长越好。结温84(6)用放热系数较大的表面处理，提高发射率。

(铝一般用喷漆或者阳极)辐射散热能力提升主要通过提高散热器表面发射率来实现，常用方法是表面做涂漆，喷沙提高粗糙度，阳极氧化等措施。辐射对散热在自然散热条件下有一定影响，强迫空冷基本没有效果，并且一般散热器发射率的差异不大，在产品中一般不作重点考虑。(5)散热片的摆放位置(6)用放热系数较大的表面处理，提高发射率。辐射散热能力提85LED制造技术与应用(十一)课件86所以对于散热器来说，除了加大面积以外，如何加速空气的对流是很重要的事。为了在各种风向情况下都能有很好的对流，最好采用针状鳍片散热器。但这也减小了其等效散热面积很大的百分比。针状散热器珠海南科首次把针状散热器应用至LED路灯中，据说这可以使LED的结温降低15度以上，提高了LED的寿命。(7)增加对流所以对于散热器来说，除了加大面积以外，如何加速空气的对流是很87(8)采用强制风冷散热15WLED中LED结温和风速的关系目前几乎绝大多数的LED灯具都是采用自然空气对流来散热的。然而，对流的散热效果是和空气的流速是有密切关系的。最近台湾Sunon公司推出全球最小、最薄、耗电量最低的“毫米科技风扇与鼓风扇MightyMiniFan&Blower。并用于各种功率的LED灯具。(8)采用强制风冷散热15WLED中LED结温和风速的关系88

4-5-3散热器制程4-5-3散热器制程89LED制造技术与应用(十一)课件90(1)考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉,影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm,如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。

(2)自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会

对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。

(3)采用挠动设计方法，破坏介质层流层，使散热效果提高。用旋转

太阳花、挠动空气旋转装置、烟囱的抽吸原理都是好方法。

(4)自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。(5)由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于5mm以上。

4-5-4自然散热器设计方法(1)考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果4-5-4自然91LED制造技术与应用(十一)课件92LED制造技术与应用(十一)课件93LED制造技术与应用(十一)课件94LED制造技术与应用(十一)课件95LED制造技术与应用(十一)课件96LED制造技术与应用(十一)课件97LED制造技术与应用(十一)课件98LED制造技术与应用(十一)课件99LED制造技术与应用(十一)课件100LED制造技术与应用(十一)课件101LED制造技术与应用(十一)课件102LED制造技术与应用(十一)课件103LED制造技术与应用(十一)课件104LED制造技术与应用(十一)课件105LED制造技术与应用(十一)课件106LED制造技术与应用(十一)课件107LED制造技术与应用(十一)课件108一个好的散热设计应包括以下几点：(1)较好的LED光源（热阻低，光效好）(2)良好的热传导设计（一体化，均热性，无瓶颈）(3)优异的散热器结构设计（对流，辐射）(4)较好的散热器表面处理方式（增强辐射）(5)良好的系统结构（气流导向，位置方式）总结一个好的散热设计应包括以下几点：总结109SeeYouNextTime!SeeYouNextTime!110结温（JunctionTemperature）结温：是处于电子设备中实际半导体芯片的最高温度。它通常高于外壳温度和器件表面温度。结温可以衡量从半导体晶圆到封装器件外壳间的散热所需时间以及热阻。LED结温：当电流流过LED元件时，PN结的温度将上升，严格意义上说，就把PN结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。1、结温的定义：结温（JunctionTemperature）结温：是处于111

a、元件不良的电极结构，衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，当电流流过PN结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。

b、由于PN结不可能极端完美，元件的注人效率不会达到100%，也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷(空穴)外，N区也会向P区注人电荷(电子)，一般情况下，后一类的电荷注人不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。2、LED结温产生的原因是什么？a、元件不良的电极结构，衬底或结区的材料以及导电银胶等均存112c、出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。目前，先进的材料生长与元件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能，然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的极大部分光子(>90%)无法顺利地溢出介面，而在芯片与介质介面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。d、LED元件的热散失能力是决定结温高低的又一关键条件。散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。由于环氧胶是低热导材料，因此PN结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层，PCB与热沉向下发散。c、出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。目前，先进1132.利用PWM控制的白光LED基本驱动电路由开关变换器构成的LED基本驱动电路如下图所示2.利用PWM控制的白光LED基本驱动电路114电路采用PWM信号控制白光LED的亮度。在图中，如果对IC的EN端子施加PWM信号，白光LED会以某种速度作ON/OFF模式运行，进而实现LED亮度的控制。此电路中Tr1的输出信号需经A/D转换器转换为数字信号。LED的平均电流I(avg)可用下式计算:电路采用PWM信号控制白光LED的亮度。在图中，如果对IC115综上所述，未来LED系统散热可以从以下几个方面进行研究来提高大功率LED的散热性能:

(2)选择以铝基为主的金属芯印刷电路板(MCPCB)、陶瓷、DBC、复合金属基板等导热性能好的衬底，以加快热量从外延层向散热基板散发。通过优化MCPCB板的热设计、或将陶瓷直接绑定在金属基板上形成金属基低温烧结陶瓷(LTCC—M)基板，可获得热导性能好、热膨胀系数小的衬底;

(3)为了使衬底上的热量更迅速地扩散到周围环境，目前通常选用铝、铜等导热性能好的金属材料作为散热器，再加装风扇和回路热管等强制制冷。同时还可以考虑其他一些有效的新型冷却方式;

(4)对于大功率LED器件而言，其总热阻是PN结到外界环境热路上几个热沉的热阻之和，其中包括LED本身的内部热沉热阻、内部热沉到PCB板之间的导热胶的热阻、PCB板与外部热沉之间的导热胶的热阻、外部热沉的热阻等，传热回路中的每一个热沉都会对传热造成一定的阻碍。因此，减少内部热沉数量，并采用薄膜工艺将必不可少的接口电极热沉、绝缘层直接制作在金属散热器上，能够大幅度降低总热阻。综上所述，未来LED系统散热可以从以下几个方面进行研究来提1163-３

加工工艺

选用的材料不一样,相应的制程也有所去别;下面以选用铝材为例:1．铝挤压技术(Extruded)

铝挤压技术简单的说就是将铝锭高温加热至约

520~540℃，在高压下让铝液流经具有沟槽的挤型模具，作出散热片初胚，然再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等处理后就做成了我们常见到的散热片。铝挤压技术较易实现，且设备成本相对较低，也使其在前些年的低端市场得到广泛的应用。一般常用的铝挤型材料为

AA6063，其具有良好热传导率(约160~180W/m.K)与加工性。不过由于受到本身材质的限制散热鳍片的厚度和长度之比不能超过1：18，所以在有限的空间内很难提高散热面积，故铝挤散热片散热效果比较差；注：铝挤在做PAR灯和其它灯时往往要在加工;工艺一般是:铝挤──裁切──车销──清洗──阳极(或它表面处理

)缺点:后加工较麻烦,特别是车销,因灯是圆的,所以在加工质量较难控制;优点:模具简单;一个铝挤模可以经后加工出多款产品;铝压铸技术通过将铝锭（纯度92%左右）和合金材料熔解成液态后，填充入金属模型内，利用压铸机直接压铸成型，制成散热片，采用压注法可以将鳍片做成多种立体形状，散热片可依需求作成复杂形状，亦可配合风扇及气流方向作出具有导流效果的散热片，形状可设计成像玩具那样，造型各异，方便各种方向连接，另外，它硬度强度较高，同时可以与锌混合成锌铝合金。

且能做出薄且密的鳍片来增加散热面积，因工艺简单而被广泛采用。一般常用的压铸型铝合金为ADC12，由于压铸成型性良好，适用于做薄铸件，但因热传导率较差(约96W/m.K)，现在国内多以AA1070铝料来做为压铸材料，其热传导率高达200W/m.K

左右，具有良好的散热效果。不过，以AA1070铝合金压铸散热器存在着一些其自身无法克服的先天不足：压铸时表面流纹及氧化渣过多，会降低热传效果。冷却时内部微缩孔偏高，实质热传导率降低(K<200W/m.K)。模具易受侵蚀，致寿命较短。成型性差，不适合薄铸件。材质较软，容易变型２．压铸铝成型工艺分：

工艺一般是：压铸成型───粗抛光去合模余料──细抛光

或喷砂──喷漆或电泳;另一方面，压铸铝生产过程，应有模具才能制造，其模具造价十分昂贵，比注塑模等其它模具均高。同时，模具维修十分困难，设计出错误时难以减料修复。

压铸铝缺点：

每次生产加工数量应多，成本才低。抛光较复杂生产周期慢产品成本较注塑件高3~4倍左右。螺丝孔要求应大一点（直径4.5mm）连接力才稳定散热性能的影响也不相同；3-３加工工艺1173．接合型制程这类散热器是先用铝或铜板做成鳍片，之后将它压固结合在具有沟槽的散热底座上。结合型散热器的特点是鳍片突破原有的比例限制，散热效果好，而且还可以选用不同的材质做鳍片。此制程之优点为散热器Pin-Fin比可高达60以上，散热效果佳，且鳍片可选用不同材质制作。其缺点在于利用压固结合的鳍片与底座之间会存在界面阻抗问题，从而影响散热，为了改善这些缺点，散热器领域又运用了2种新技术。４．扦焊扦焊是采用熔点比母材熔点低的金属材料作为焊料，在低于母材熔点而高于焊料熔点的温度下，利用液态焊料润湿母材，填充接头间隙，然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方法。主要工序有：材料前处理、组装、加热焊接、冷却、后处理等工序。常用的扦焊方式是锡扦焊,铝表面在空气中会形成一层非常稳定的氧化层(AL2O3),使铜铝焊接难度较高,这是阻碍焊接的最大因素。必须要将其去除或采用化学方法将其去除后并电镀一层镍或其它容易焊接的金属，这样铜铝（铝与铝）才能顺利焊接在一起。散热片是进行热的传导，要求的不仅是机械强度，更重要的是焊接的面积要大(焊着率要高)，才能有效地提升散热效能，否则不但不会提升散热效能，反而会使其比全铝合金的散热片更加糟糕。常见的后处理方法:烤漆：喷漆后进烘房加温干燥工艺;电泳：2电泳涂料在阴阳两极,

施加于电压作用下,

带电荷的涂料离子移动到阴极,

并与阴极表面所产生的碱性物质作用形成不溶解物,

沉积于工件表面的過程;电镀：电镀就是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程喷塑：将塑料粉末喷涂在零件上的一种表面处理方法阳极：将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜．备注：后处理一般要依灯具类别选用不同后处理方法；如室外灯对表处理要求较高，(如盐务测试)一般会选用喷塑;不同表面处理对LED制造技术与应用(十一)课件118三、外壳散热器设计：

LED散热设计采用流体力学软件仿真以及做基础设计。通常LED散热器的设计分为以下几步：A、根据实际需求以及相关约束条件设计轮廓图;B、根据相关散热设计准则对散热器翅片的片厚、片形、间距以及基板厚度等进行优化;C、使用热分析软件对其进行设计验证以及校核计算。一般自然散热需要考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果片间距太小，两个片的热边界容易交叉从而影响到表面对流。因此一般情况下，建议自然冷却的散热器片间距大于12MM，如果散热器翅片高低于10mm，可按照片间距>=1.2片高来确认散热器的片间距。因为自然冷却方式的散热器表面的换热能力较弱，在散热片表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，因此建议翅片表面无需增加太多波纹，可采用磷化处理来对表面做防腐处理还可以增大散热表面的辐射系数以增强辐射换热。还有一点必须注意，由于自然对流达热平衡时间相对来说比较长，因此自然对流散热器的基板以及翅片应足够后以抗击瞬态热负荷的冲击。

目前还有LED灯具散热设计还有采用热管式以及加风扇强制对流式等方式。其设计各有优点和劣势，可根据需要采用性价比比较佳的方案来进行设计。三、外壳散热器设计：

LED散热设计采用流体力学软件仿1193-2封装方式对热阻的改善3-2封装方式对热阻的改善120LED制造技术与应用(十一)与LED应用有关的技术问题介绍2012-5-3LED制造技术与应用(十一)与LED应用有关的技术问题介绍121白光LED的制作2-1制作白光LED的三种主要方法

2-2大功率白光LED的制作白光LED的制作1222-1制作白光LED的三种主要方法2-1制作白光LED的三种主要方法123方法一、蓝光LED+YAG荧光粉日亚化学(Nichia)提出以460nm波长的InGaN蓝光晶粒涂上一层YAG（yttriumaluminumgarnet，钇铝石榴石）荧光物质，利用蓝光LED照射此荧光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便可得出肉眼所需的白光。这也是目前主要的商品化作法。白光LED开发基础在于蓝光技术，目前仍以日亚化学领先，拥有众多专利权。方法一、蓝光LED+YAG荧光粉日亚化学(Nichia)提出124优点：效率高、制备简单、温度稳定性较好、具有实用性。缺点：是荧光粉与胶混合后，均匀性较难控制。由于荧光粉易沉淀，导致布胶不均匀、布胶量不好控制，因而造成出光均匀性差、色调一致性不好、色温偏高且随角度变化，显色性不够理想。涂覆YAG黄色荧光粉优缺点优点：涂覆YAG黄色荧光粉优缺点125方法二、紫外LED+RGB荧光粉

1997年飞利浦提出利用紫外光激发RGB荧光粉产生三色光来混合形成白光的发明专利，但该专利未涉及具体荧光粉的组成。优点：显色性好、光色均匀，无偏色，制备简单。缺点：目前，LED芯片出光效率较低，有紫外光泄漏问题；而且用于封装的环氧树脂在紫外光照射下易分解老化，从而使透光率下降；荧光粉温度稳定性问题有待解决。方法二、紫外LED+RGB荧光粉1997年飞利浦提126方法三、三基色LED合成白光白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度69%，红色的亮度为21％，蓝色的亮度为10％时，混色后人眼感觉到的是纯白色。使用InGaAlP(红)，GaN(蓝)，GaN(绿)为材质的三颗LED，分别控制通过LED电流发出红，蓝及绿光，因为这三颗晶粒是放在同一个灯泡中，透镜可将发出的光加以混合而产生白光。光强的比例通常为3：6：1。方法三、三基色LED合成白光白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而127优点：效率高、色温可控、显色性较好。缺点：三基色光衰不同导致色温不稳定，当点亮发热后，三基色光的主波长漂移也不同；控制电路较复杂、成本较高；温度的变化会引起色温偏差。三基色多芯片组白光LED的优缺点。优点：效率高、色温可控、显色性较好。三基色多芯片组白光LE128W级功率白光LED的光、电、热通道电学通道：电流比较大，一般是几十毫安到几百毫安以上，所以这种电流通道要考虑好。光学通道：蓝光产生、黄光产生、剩余的蓝光与产生的黄光比例、蓝光黄光的重叠等。热学通道：散热问题(金线直径，耐冲击，热膨胀)(硅凝胶/硅树脂，折射率1.5)(固晶胶，共晶焊，接触面积)大功率白光LED设计中的主要问题：2-2大功率白光LED的制作W级功率白光LED的光、电、热通道电学通道：电流比较大，一般129与LED应用有关的技术问题介绍一.LED的驱动方式二.LED的散热技术三.

LED的光学设计四.LED的防静电控制与LED应用有关的技术问题介绍130与LED应用有关的技术问题介绍一.LED的驱动方式二.LED的散热技术三.

LED的光学设计四.LED的防静电控制与LED应用有关的技术问题介绍1311.LED的驱动概念由于LED是特性敏感的半导体器件，不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念。

LED实际上是一个2～3伏的低电压驱动的单向导电器件，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源适配器。

LED驱动应具有直流控制、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小型尺寸以及简便易用等特点。1.LED的驱动概念由于LED是特性敏感132给LED供电的电源必须注意以下事项:（1）LED是单向导电器件，由于这个特点，就要用直流电流或者单向脉冲电流给LED供电。（2）LED是一个具有PN结结构的半导体期间，具有势垒电势，这就形成了导通阈值电压，加在LED上的电压值超过这个阈值电压时LED才会充分导通。不同颜色的LED阀值电压不同，黄绿红1.4V就可以驱动，像蓝，紫，白，橙的驱动电压是2.5V以上。（3）LED的I-V特性是非线性的，流过LED的电流在数值上等于供电电源的电动势减去LED的势垒电势后再除以回路的总电阻(电源内阻、引线电阻和LED体电阻之和)。因此，流过LED的电流和加在LED两端的电压不成正比。LED伏安特性曲线给LED供电的电源必须注意以下事项:（1）LED是单向导电器133（4）LED的PN结的温度系数为负，温度升高时LED的势垒电势降低。由于这个特点，所以LED不能直接用电压源供电，必须采用限流措施，否则随着LED工作时温度的升高，电流会越来越大，以至损坏LED。（5）流过LED的电流和LED的光通量的比值也是非线性的。LED的光通量随着流过LED的电流增加而增加，但却不成正比，越到后来光通量增加得越少。因此，应该使LED在一个发光效率比较高的电流值下工作。（4）LED的PN结的温度系数为负，温度升高时LED的势垒电1342.LED的驱动方式LED的驱动方式一般使用恒定电流源和恒定电压源进行控制。图2.1

LED的恒流驱动(串联)图2.2

LED的恒流驱动(并联)2-1

LED的恒定电流源驱动：√分选，测试2.LED的驱动方式LED的驱动方式一般使用恒定电流源和1352-2

LED的恒定电压源驱动：图2.1

LED的恒压驱动(串联)图2.2

LED的恒压驱动(并联)每种驱动方式均有优缺点，根据LED产品的要求、应用场合，合理选用LED驱动方式，精确设计驱动电源成为关键。一般的整流电路的输出电压随着电网电压的波动也会变化，由此可知，采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的特性。因此，LED驱动通常采用恒流源驱动。理想的LED驱动方式是采用恒压、恒流方式，但驱动器的成本会增加。2-2LED的恒定电压源驱动：图2.1LED的恒压驱1362-3-1镇流电阻方案这是一种极其简单，自LED面世以来至今还一直在用的经典电路。LED工作电流I按下式计算：

I与镇流电阻R成反比；当电源电压U上升时，R能限制I的过量增长，使I不超出LED的允许范围。2-3典型LED驱动电路(实现恒流，恒压的电路)此电路的优点是简单，成本低；缺点是电流稳定度不高；电阻发热消耗功率，导致用电效率低，仅适用于小功率LED范围。镇流电阻R的计算公式是：按此公式计算出的R值仅满足了一个条件：工作电流I。而对驱动电路另两个重要的性能指标：电流稳定度和用电效率，则全然没有顾及。因此用它设计出的电路，性能没有保证。2-3-1镇流电阻方案2-3典型LED驱动电路(实现恒流1372-3-2镇流电容(降压)电路电容降压电路是一种常见的小电流电路，由于其具有体积小、成本低、电流相对恒定等优点，也常应用于LED驱动电路中。此方案的优点是简单，成本低，供电方便；缺点是电流稳定度不高，效率也不高。仅适用于小功率LED范围。当LED的数量较多，串联后LED支路电压较高的场合更为适用。2-3-2镇流电容(降压)电路此方案的优点是简单，成本低，138上面已经提到电阻、电容镇流电路的缺点是电流稳定度低（△I/I达±20～50％），用电效率也低（约50～70％），仅适用于小功率LED灯。为满足中、大功率LED灯的供电需要，利用电子技术常见的电流负反馈原理，设计出许多恒流驱动电路。像直流恒压电源一样，按其调整管是工作在线性，还是开关状态，恒流驱动电路也分成两类：线性恒流驱动电路和开关恒流驱动电路。右图是最简单的两端线性恒流驱动电路。它借用三端集成稳压器LM337组成恒流电路，外围仅用两个元件：电流取样电阻R和抗干扰消振电容C。2-3-3线性恒流驱动电路上面已经提到电阻、电容镇流电路的缺点是电流稳定度低（△I/I1392-3-4、开关恒流驱动电路A．直流低压开关恒流驱动电路a.由分立元件构成的开关恒流驱动电路2-3-4、开关恒流驱动电路A．直流低压开关恒流驱动电路a.140b.由IC构成的开关恒流驱动电路b.由IC构成的开关恒流驱动电路141B．交流220V开关恒流驱动电路B．交流220V开关恒流驱动电路142与LED应用有关的技术问题介绍

一.LED的驱动方式二.

LED的散热技术三.

LED的光学设计四.

LED的防静电控制与LED应用有关的技术问题介绍143散热问题是当前半导体照明技术发展的技术瓶颈光电转换效率:•白炽灯～3%•荧光灯～15%•LED灯~20%-40%(约60%~80%能量转化为热量)在结温60~80度时，Xlamp热转换效率约70~80%散热问题是当前半导体照明技术发展的技术瓶颈光电转换效率:•白1441、

热量的来源-结温的产生LED的光效目前只有100lm/W，其电光转换效率大约只有20~40%左右。也就是说大约70%的电能都变成了热能。具体来说，LED结温的产生是由于两个因素所引起的。1．内部量子效率不高，也就是在电子和空穴复合时，并不能100％都产生光子，通常称为由“电流泄漏”而使PN区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率，也就是转化为热能，但这部分不占主要成分，因为现在内部光子效率已经接近90％。2．内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，这部分是主要的，因为目前这种称为外部量子效率只有30％左右，大部分都转化为热量了。1、热量的来源-结温的产生LED的光效目前只有100l145Cree公司发布的光衰与结温的关系图照阿雷纽斯法则温度每降低10℃寿命会延长2倍。2、结温的影响(危害)：Cree公司发布的光衰与结温的关系图照阿雷纽斯法则温度每降146假如以结温25度时的发光为100%，那么结温上升至60度时，其发光量就只有90%；结温为100度时就下降到80%；140度就只有70%。可见改善散热，控制结温是十分重要的事。

Cree公司XLamp7090XR-E的发光量和结温的关系图假如以结温25度时的发光为100%，那么结温上升至60度时，147温度上升----主波长受影响：蓝光向短波长漂移,其它颜色向长波长漂移(红光)温度上升----相关色温(CCT)：白光的相关色温升高,其它色温将下降;温度上升----正向电压：正向电压下降;温度上升----反向电流增大;温度上升----热应力增大;温度上升----如是带荧光粉,环氧树脂的led,温度上升将导致这些材料发生劣化;上述也只是部分温度过高对LED部分性能产生影响,实际受影响的远远不止这些,严重的将导致LED灯失效;温度上升----元器件的使用寿命减少;

温度上升----发光效率下降;温度上升----元器件的使用寿命减少;148减少热量产生：LED产生热量的多少取决于内量子效应。在氮化镓材料的生长过程中，应改进材料结构，优化生长参数，以获得高质量的外延片，从而提高器件内量子效率，提高芯片的发光效率，从根本上减少热量的产生;

—上中游产业完成3-1降低LED温度的两种方式：(2)促进热量发散：系统集成，改进LED散热结构，加快内部热量的传导和散发，提高换热效率，以有效地降低芯片温度。

—灯具散热设计的主要工作3、LED的热管理(ThermalManagement)：减少热量产生：LED产生热量的多少取决于内量子效应。在氮化149热传导

热对流/热辐射二次散热设计研究方向LED模组散热器热传导热对流/热辐射二次散热设计研究方向LED模组散热1503-2热量传递的三种基本方式：3-2热量传递的三种基本方式：1513-2-1热传导(spreading)3-2-1热传导(spreading)1523-2-2热对流(Convection)3-2-2热对流(Convection)153LED制造技术与应用(十一)课件154主动对流和强制对流的比较：

主动对流和强制对流的比较：155PassivePassivePassivePassiveActiveActivePassivePassivePassivePassiveAc1563-2-2热辐射(radiation)3-2-2热辐射(radiation)157LED制造技术与应用(十一)课件1584、LED散热技术介绍LED的热流模型所以从芯片产生的热量到空气的总热阻就应该是：Rja=Rj1

+

(Rj2

+

Rj3

+

Rj4)

+

Rj5

+

Rj6

+

Rj7

Rj1：芯片基板的热阻Rj2：焊料的热阻Rj6：铝基板PCB的热阻Rj4：导热硅胶的热阻Rj7：散热器热阻Rj5：热沉的热阻Rj3：焊料的热阻4、LED散热技术介绍LED的热流模型所以从芯片产生的热量到1594-1晶片层级散热技术-衬底的选择4-2封装层级散热技术-热沉的选择4-3

PCB层级散热技术4-4界面散热技术4-5系统模组层级散热技术(散热片设计)热传导热对流热辐射4-1晶片层级散热技术-衬底的选择4-5系统模组层级散热1604-1晶片层级散热技术4-1晶片层级散热技术161蓝宝石和碳化硅衬底的LED结构图4-1-1衬底的选择-SiC

蓝宝石和碳化硅衬底的LED结构图4-1-1衬底的选择-S1624-2封装层级散热技术当LED功率往更高效提升时，整个LED的散热瓶颈将出现在LED热沉(晶粒基板)，如何将LED晶粒所产生的热能有效的从晶粒传导至系统电路板，是该层级散热技术的主要目的。4-2封装层级散热技术当LED功率往更高效提升时，整个LED1634-2-1封装方式对热阻的影响4-2-1封装方式对热阻的影响164Tj1：采用一般银导热胶、铝金属热沉；Tj2

：采用新导热胶、铜金属热沉。

结温与芯片尺寸的关系Tj1：采用一般银导热胶、铝金属热沉；结温与芯片尺寸的关系2001年，LumiLeds

公司研制出了AlGalnN

功率型倒装芯片结构。LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样热量不必经由蓝宝石衬底，而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座，由于其有源发热区更接近散热体，可降低内部热沉热阻。4-2-2倒装芯片结构-Lumileds但是，热阻与热沉的厚度成正比，受硅片机械强度与导热性能所限，很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻，制约了其传热性能的进一步提高。2001年，LumiLeds公司研制出了AlGalnN166各种合金的导热系数表4-2-3热沉材料的选择-Cu/Al

金属复合材料基板铜基板Al基板各种合金的导热系数表4-2-3热沉材料的选择-Cu/Al167

Lumileds

公司2006年推出的LuxeonK2功率型LED采用了一个铜热沉来强化散热，达到很好的散热效果。Lumileds公司2006年推出的LuxeonK1684-2-4热沉材料的选择-陶瓷由陶瓷烧结而成得LED基板，有散热性佳、耐高温、耐潮湿等优点。降低LED晶粒陶瓷散热基板的热阻为目前提升LED发光效率最主要的课题之一，若依其线路制作方法可区分为厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、以及薄膜陶瓷基板三种，分别说明如下：4-2-4热沉材料的选择-陶瓷由陶瓷烧169厚膜陶瓷基板乃采用网印技术生产，藉由刮刀将材料印制于基板上，经过干燥、烧结、雷射等步骤而成，目前台湾厚膜陶瓷基板主要制造商为