機電畢業(yè)論文

1、畢業(yè)綜合實踐報告題 目: LED封裝與熱設計 類 型： 研究類 專 業(yè): _ 機電系 班 級: _ _ _學生姓名: _ 指導教師: _ _完成時間: I摘 要自LED從發(fā)展到今，LED制造工藝取得了很大的進步及開發(fā)很多新材料，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性的發(fā)展，同時大功率LED也取得了很大的發(fā)展成就，LED在實際應用中的優(yōu)勢伴隨著使用范圍的擴大而出現(xiàn)的不足和技術上的問題也亟待解決，LED因其體積小、安全可靠、耗電量低、使用壽命長、環(huán)保等優(yōu)點，成為第四代光源指日可待。但是由于其光電轉化率較低，大部分電能實際轉化成了熱量，所以如何提高其散熱能力是LED急需解決的關鍵技術。而封裝的設計直接

2、影響到LED的散熱，所以LED封裝是熱設計重中之重。關鍵詞：LED 封裝 熱設計II目錄一 引言.11.1 LED發(fā)展史及其發(fā)展前景.21.1.1 LED發(fā)展史.21.1.2 LED發(fā)展前景.21.2 LED工作原理及其特性.31.2.1 LED的工作原理 .31.2.2 LED的特性 .4第一章小結.4二 LED 封裝.52.1 LED封裝.5第二章小結.6三 LED熱設計基礎.63.1 LED照明熱的產生.63.2 LED結溫及其對LED的影響.6 3.3 LED熱阻.83.3.1 熱阻對LED的影響.8 3.3.2 減少熱阻的方法.93.4 LED散熱的基本方法 .9 3.4.1傳導.9

3、 3.4.2對流.10 3.4.3輻射.113.5 常用的加快散熱方法 .11第三章小結.13四 大功率LED散熱設計.13 4.1 大功率LED散熱.144.2 大功率LED散熱計算.144.3 大功率LED散熱設計.154.4 大功率LED關鍵技術.174.5 大功率LED的發(fā)展趨勢.18第四章小結.19五 總結和展望.20六 致謝.21七 后記.22參考文獻 .23IV一 引言自1879 年愛迪生發(fā)明白熾燈，照明發(fā)展到今共經歷了三次革命，被稱為“第四代光源”的LED，是21世紀發(fā)展最快的高科技產品之一，LED因其體積小、安全可靠、耗電量低、使用壽命長、環(huán)保，與當代的節(jié)能環(huán)保相響應，得到了

4、政府的大力支持，隨著我國綠色照明工程的組織實施，促進了LED照明技術的創(chuàng)新和發(fā)展，使得LED在照明領域得以廣泛應用，未來的照明將會以LED為主流。LED作為一種半導體固體發(fā)光器件，較之其他發(fā)光器具有更長的工作壽命，通?？蛇_到十萬小時。如用LED替代傳統(tǒng)的汽車用燈，那么它的壽命將遠大于汽車本體的壽命，具有終身不用修理與更換的特點；LED是一種低壓工作器件，因此在同等亮度下，耗電最小，可大量降低能耗。隨著今后工藝和材料的發(fā)展，將具有更高的發(fā)光效率。體積小，重量輕、耐抗擊：這是半導體固體器件的固有特點，所以LED可制作各類清晰精致的顯示器件；用LED制作的光源不存在諸如水銀、鉛等環(huán)境污染物，不會污染

5、環(huán)境。因此人們將LED光源稱為“綠色”光源。由于LED在其工作過程中只有15%25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED溫度升高。在大功率LED應用中，散熱技術是關鍵技術，它不僅影響LED的發(fā)光亮度，而且也直接影響LED構成系統(tǒng)的可靠性和壽命。本文通過對LED結構、發(fā)光原理及特性、LED封裝、熱設計的基礎理論、散熱方式等一系列的方面進行分析，對LED的設計進行一系列的優(yōu)化，使LED在生產以及應用中能夠更實用。1.1 LED發(fā)展史及其發(fā)展前景1.1.1 LED發(fā)展史自1879 年愛迪生發(fā)明白熾燈，照明發(fā)展到今共經歷了三次革命，被稱為“第四代光源”的LED，是21世紀發(fā)展最快的高

6、科技產品之一，LED因其體積小、安全可靠、耗電量低、使用壽命長、環(huán)保，與當代的節(jié)能環(huán)保相響應，得到了政府的大力支持，隨著我國綠色照明工程的組織實施，促進了LED照明技術的創(chuàng)新和發(fā)展，使得LED在照明領域得以廣泛應用，未來的照明將會以LED為主流。LED作為一種半導體固體發(fā)光器件，較之其他發(fā)光器具有更長的工作壽命，通?？蛇_到十萬小時。如用LED替代傳統(tǒng)的汽車用燈，那么它的壽命將遠大于汽車本體的壽命，具有終身不用修理與更換的特點；LED是一種低壓工作器件，因此在同等亮度下，耗電最小，可大量降低能耗。隨著今后工藝和材料的發(fā)展，將具有更高的發(fā)光效率。體積小，重量輕、耐抗擊：這是半導體固體器件的固有特點

7、，所以LED可制作各類清晰精致的顯示器件；用LED制作的光源不存在諸如水銀、鉛等環(huán)境污染物，不會污染環(huán)境。因此人們將LED光源稱為“綠色”光源。由于LED在其工作過程中只有15%25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED溫度升高。在大功率LED應用中，散熱技術是關鍵技術，它不僅影響LED的發(fā)光亮度，而且也直接影響LED構成系統(tǒng)的可靠性和壽命。本文通過對LED結構、發(fā)光原理及特性、LED封裝、熱設計的基礎理論、散熱方式等一系列的方面進行分析，對LED的設計進行一系列的優(yōu)化，使LED在生產以及應用中能夠更實用。1.1.2 LED發(fā)展前景同一光效情況下，白熾燈可見光效率僅為10%-

8、20%，由于LED的光譜全部集中于可見光頻率，所以效率可以達到50%以上，而成本也下降了90%，這些優(yōu)勢使LED市場得到蓬勃發(fā)展。目前LED已廣泛應用在大面積圖文全彩顯示、狀態(tài)指示、標志照明、信號顯示、液晶顯示器的背光、汽車組合尾燈及車內照明等方面。LED被譽為21世紀新光源，有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源。LED應用領域也逐漸壯大：1、LED顯示屏的應用市場。我國LED顯示屏市場起步較早，出現(xiàn)了一批具有很強實力的LED顯示屏生產廠商。憑借著獨特優(yōu)勢，LED全彩顯示屏廣泛應用在銀行、證券交易所、醫(yī)院、體育場館、市政廣場、車站、機場等場所。在LED需求量上，LED顯示

9、屏僅次于LED指示燈名列第二。2、背光源市場。LED早已應用在以手機為主的小尺寸液晶面板背光源中，手機產量的持續(xù)增長帶動了背光源市場的快速發(fā)展，特別是彩屏手機的出現(xiàn)更是推動了白光LED市場的快速發(fā)展。3、車燈市場。汽車應用市場還處于未發(fā)展階段，市場規(guī)模也在不斷擴大。LED作為車燈主要得益于低功耗、長壽命和響應速度快的特點。憑借著汽車產業(yè)的巨大產能，LED車燈市場有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?、室內裝飾燈市場。室內裝飾燈市場是LED的另一新興市場。5、景觀照明市場。目前LED已越來越多的應用到景觀照明市場中，北京、上海等地已建成一批LED景觀照明工程，這些工程在裝飾街道的同時還將起到示范作用，將會使LE

10、D景觀照明從一級城市快速向二級、三級城市擴展。6、通用照明市場。對于LED進入通用照明市場，功率型的白光LED除面臨著發(fā)展效益低、散熱不好、成本過高等問題外，還面臨光學、結構與電控等技術的整合以及LED照明產品通用標準的制定問題，解決這些問題還需要一定的時間。1.2 LED工作原理及其特性1.2.1 LED工作原理發(fā)光二極管是由-族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。圖1-1 LED發(fā)光原理PN結根據其端電壓構成一定的勢壘，

11、當正向偏置時勢壘下降，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向對方擴散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴散，構成對P區(qū)少數(shù)載流子的注入，這些電子與價帶上上的空氣復合，復合時得到的能量以光能的形式釋放。這就是PN結發(fā)光的原理。如圖1-1所示。假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結

12、面數(shù)微米以內產生。 理論和實踐證明，發(fā)光的波長或頻率取決于選用半導體材料的能量g，其大小用下式計算，單位為電子伏（eV）。 1240/Eg（mm） 式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產生可見光（波長在380nm紫光780nm紅光），半導體材料的Eg應在3.261.63eV之間。1.2.2 LED的特性具有很多特征：電學特征、光學特征和熱學特征等特征。電學特征中的I-V特征是表征LED芯片PN結性能的主要參數(shù)，LED的I-V特征具有非線性、單向導電性，即加正偏壓表現(xiàn)為低電阻，反之為高電阻，如圖1-2所示。圖1-2 I-V特征曲線第一章小結：LED的基本知識是我們入門LED必備知識，它是我們深

13、入研究LED的基礎。上文只分析了LED電學特性中的I-V特征，LED還有眾多的特性，如光學特性：光強分布、發(fā)光峰值波長及光譜分布、光通量、發(fā)光亮度等，在此就不一一分析研究了。要研究LED的封裝和散熱問題，就必須要了解LED的眾多特性，只有在了解LED的特性時才能更好地設計出優(yōu)良的散熱方案。二 LED封裝2.1 LED封裝LED發(fā)光的核心部分是P 型和N 型半導體構成的PN 結管芯,當注入PN 結的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時,就會發(fā)出可見光。但PN 結區(qū)發(fā)出的光子是非定向的,即向各個方向發(fā)射具有相同的幾率, 因此, 并不是管芯產生的所有光都可以釋放出來。光釋放主要取決于半導體材料質量、管芯結構

14、及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料等幾個方面, 應用中要求提高LED 的內、外部量子效率, 提高光輸出量, 封裝技術是不可或缺的環(huán)節(jié),封裝內部結構與包封材料必須做到盡可能多的光輸出。LED 常采用環(huán)氧樹脂和軟性硅膠封裝, 小功率LED多采用環(huán)氧樹脂封裝, 大功率LED 多采用軟性硅膠封裝。常規(guī) 5mm 型LED 封裝是將邊長0. 25mm 的正方形管芯粘結或燒結在引線架上,管芯的正極通過球形接觸點與金絲鍵合為內引線, 與一條管腳相連,負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連,然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發(fā)出的光,向期望的方向角內發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀,有

15、這樣幾種作用: ( 1 ) 保護管芯等不受外界侵蝕; ( 2 ) 采用不同的形狀和材料(摻或不摻散色劑) ,起透鏡或漫射透鏡功能, 控制光的發(fā)散角; ( 3 ) 管芯折射率與空氣折射率相關太大,致使管芯內部的全反射臨界角很小,其由源層產生的光只有小部分被取出, 大部分易在管芯內部經多次反射而被吸收,易發(fā)生全反射導致過多光損失,選用相應折射率的環(huán)氧樹脂作過渡, 提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕性、絕緣性、足夠的機械強度、對管芯發(fā)出光的折射率和透射率高等性能。選擇不同折射率的封裝材料,封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的, 發(fā)光強度的角分布也與管芯結構、光輸出方式、封裝透

16、鏡所用材質和形狀有關。若采用尖形樹脂透鏡,可使光集中到LED 的軸線方向,相應的視角較小; 如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型,其相應視角將增大。目前LED主要有以下幾種封裝方式：1、引腳式封裝（Lamp LED）；2、平面式封裝（Flat LED）；3、貼片式封裝（SMD LED）；4、食人魚形LED封裝；5、大功率型封裝；6、覆晶封裝；7、板上芯片封裝（COB LED）；8、 系統(tǒng)封裝式（Sip LED）；第二章小結：LED封裝是LED生產的重要環(huán)節(jié)，封裝的好壞將直接影響到LED的性能和壽命，其中封裝也是LED熱設計中的核心設計。關于封裝，第四章將會以大功率LED封裝為例子，分析LED封裝及

17、散熱問題。三 LED熱設計基礎3.1 LED照明熱的產生 LED發(fā)熱的原因是所加入的電能并沒有全部轉化為光能，而是一部分轉化為熱能。LED的光電轉化效率大約只有20%30%。也就是說，大約70%的電能轉變成了熱能。3.2 LED結溫及其對LED的影響 LED的基本結構是一個半導體PN結，實驗指出，當電流流過LED元件時，PN結的溫度將上升，嚴格意義上，把PN結的溫度定義為LED結溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結溫。結溫Tj是衡量LED封裝散熱性能的一個重要指標。結溫的表達式為:Tj=Rja×Pd+Ta其中，Pd為耗散的功率，Rja為LED器

18、件PN結與環(huán)境溫度的總熱阻，Tj，Ta分別為LED器件PN結的結點溫度和器件周圍的環(huán)境溫度。式中表明，同樣大小的功率下，芯片結溫升溫越小，LED器件的性能越好。在LED工作時，可存在以下情況促使結溫不同程度的上升：A、元件不良的電極結構，視窗層襯底或結區(qū)的材料以及導電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加，構成LED元件的串聯(lián)電阻。當電流流過PN結時，同時也會流過這些電阻，從而產生焦耳熱，引致芯片溫度或結溫的升高。B、由于PN結不可能極端完美，元件的注入效率不會達到100，也即是說，在LED工作時除P區(qū)向N區(qū)注入電荷(空穴)外，N區(qū)也會向P區(qū)注人電荷(電子)，一般情況下，后一類的電荷注人不

19、會產生光電效應，而以發(fā)熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷，也不會全部變成光，有一部分與結區(qū)的雜質或缺陷相結合，最終也會變成熱。C、實踐證明，出光效率的限制是導致LED結溫升高的主要原因。目前，先進的材料生長與元件制造工藝已能使LED極大多數(shù)輸入電能轉換成光輻射能，然而由于LED芯片材料與周圍介質相比，具有大得多的折射系數(shù)，致使芯片內部產生的極大部分光子(>90)無法順利地溢出介面，而在芯片與介質介面產生全反射，返回芯片內部并通過多次內部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動的形式變成熱，促使結溫升高。D、LED元件的熱散失能力是決定結溫高低的又一個關鍵條件。散熱能力強時，結溫

20、下降，反之，散熱能力差時結溫將上升。由于環(huán)氧膠是低熱導材料，因此PN結處產生的熱量很難通過透明環(huán)氧向上散發(fā)到環(huán)境中去，大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層，PCB與熱沉向下發(fā)散。相關材料的導熱能力將直接影響元件的熱散失效率。一個普通型的LED，從PN結區(qū)到環(huán)境溫度的總熱阻在300到600W之間，對于一個具有良好結構的功率型LED元件，其總熱阻約為15到30 W。巨大的熱阻差異表明普通型LED元件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦級甚至更高。結溫對LED的影響： 結溫對光通量的影響：當結面溫度由25上升到100時，其發(fā)光效率將會衰減20%70%，其中

21、又以黃光衰退75%最為嚴重。當LED結溫升高時，器件輸出光強將逐漸減小。一般情況下，光通量隨結溫的增加而減小的效應是可逆的，即當溫度回復到初始溫度時，光通量會有一個恢復性的增長。 高溫下器件性能衰變：在高溫下，LED的光輸出特性除去會發(fā)生可恢復性的變化外，還將隨時間產生一種不可恢復的永久性衰變。對于同一類型LED器件，在相同的工作電流時，結溫越高，器件的輸出光強衰減的越快。環(huán)境溫度越高，結溫就越高，器件性能的衰減速率就越快，當環(huán)境溫度確定后，器件工作電流越大，結溫也將越高，器件的性能的衰減速率就越快。 結溫對發(fā)光波長的影響：對于一個LED器件，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長或顏

22、色，LED材料屬III-IV族化合物，當溫度升高時，材料的禁帶寬度將減小，導致器件發(fā)光波長變長，顏色發(fā)生紅移。降低LED結溫的途徑：A、減少LED本身的熱阻；B、良好的二次散熱機構；C、減少LED與二次散熱機構安裝介面之間的熱阻；D、控制額定輸入功率；E、降低環(huán)境溫度。LED的輸入功率是元熱效應的唯一來源，能量的一部分變成了輻射光能，其余部分最終都變成了熱，從而使LED的溫度上升。顯然，減小LED溫升效應的主要方法是： 設法提高元件的電光轉換效率（又稱外量子效率），盡可能多地將輸入功率轉變成光能。 設法提高元件的熱散失能力，使結溫產生的熱通過各種途徑散發(fā)到周圍環(huán)境中去。3.3 LED熱阻3.3

23、.1 熱阻對LED的影響在LED點亮后達到熱量傳導穩(wěn)態(tài)時，芯片表面每耗散1W的功率，芯片pn結點的溫度與連接的支架或鋁基板的溫度之間的溫差就稱為熱阻Rth，單位為/W。數(shù)值越低，表示芯片中的熱量傳導到支架或鋁基板上就越快。這有利于降低芯片中的pn結的溫度，從而延長LED的壽命。熱阻是沿熱流通道上的溫度差與通道上耗散的功率之比，對于LED來說，熱阻一般是指從LED芯片pn結到翅片上的熱阻。對于單個LED，設定PN結點生成的熱沿著：結點翅片鋁基散熱電路板空氣，這個熱路徑傳導。采用等效電路的熱阻計算，PN結點到環(huán)境的總熱阻:Rja=Rjs+Rsb+Rba其中，Rjs，Rsb，Rba分別是從結點到翅片

24、，翅片到散熱電路板，散熱電路板到空氣的熱阻。熱阻越小，表示相同的熱耗散功率下，系統(tǒng)的散熱性能越好，芯片結溫與環(huán)境溫度差越小。影響熱阻的大小與以下因素有關：（1）與LED芯片本身的結構與材料有關。（2）與LED芯片粘結所用的材料的導熱性能及粘結時的質量有關，是用導熱性能很好的膠，還是用絕緣導熱的膠，還是用金屬直接連接。（3）翅片是用導熱很好的銅，或者鋁，而且與銅、鋁的散熱面積大小也有直接的關系。熱阻越高，就會影響LED的性能和壽命，選用一定的材料與控制相關的技術細節(jié)，就可以降低LED的熱阻，從而提高LED的壽命與工作效能。3.3.2 減小熱阻的方法對于一個LED管，設法降低PN結與應用環(huán)境的熱阻

25、是提高器件散熱能力的根本途徑。由于環(huán)氧膠是低熱導材料，因此PN結處產生的熱量很難通過透明環(huán)氧向上散熱到環(huán)境中去、大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘結層、PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然、相關材料的導熱能力將直接影響器件的熱阻與散熱性能。表2-4-1 LED襯底材料的熱導系數(shù)：材料SiAl2O3GaAsSiC熱導系數(shù)（w/m·k）75251849表2-4-2常用熱沉材料的熱導系數(shù)：材料碳銅黃銅鋁合金金銀錫鋅純銅純鋁純鐵熱導系數(shù)（w/m·k）36.739.210916231542742712139823681.1表2-4-1、表2-4-2 指出了若干常用的襯底與熱沉材料的導熱系數(shù)

26、值。為減小LED的總熱阻，應設法減小芯片PN結到環(huán)境之間的距離，增大散熱通道面積及采用高熱導的材料。由表2-4-2可知，純銅與純鋁是二種具有極高熱導的適與制造LED支架與熱沉的材料。材料確定后，散熱通道的截面積與散熱片表面積的大小決定了器件的總熱阻。實驗指出，散熱面積越大，熱阻越低。另外，通過風扇使環(huán)境空氣產生了強制交換，也是減小熱阻的有效途徑。3.4 LED散熱的基本方法3.4.1 傳導氣體導熱是由氣體分子不規(guī)則運動時相互碰撞的結果。金屬導體主要靠自由電子的運動來完成。非導電固體中的導熱通過晶體結構的振動實現(xiàn)的。液體中的導熱機理主要靠彈性波的作用。熱傳導基本定理是傅里葉定理Q=A(Th/Tc

27、)/ 式中：Q熱流量，W；導熱系數(shù)，W/(m2 oC)；A為熱量傳遞方向垂直面積，m2；Th與Tc高溫與低溫面的溫度，oC/m；兩個面之間的距離，m；負號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。導熱系數(shù)是表示物質導熱能力的物理量。對于不同的物質，其導熱系數(shù)各不相同，影響其數(shù)值大小的主要因素是物質的種類和溫度等。熱傳導的改善： 減小熱傳路徑長度； 芯片封裝外殼在保證電機性能前提下盡量??； 導熱膏或者導熱墊盡量??；散熱片的導熱底盡量??； 選用導熱系數(shù)高的材料； 增加導熱面積：散熱片吸收底面積增加，芯片有效散熱面積增大，縱向熱阻減?。簧岬装搴穸仍黾?，芯片有效散熱面積增大，橫向熱阻減小。3.4.2

28、對流對流是指流體各部分之間發(fā)生相對位移時所引起的熱量傳遞過程。對流僅發(fā)生在流體中，且必然伴隨著有導熱現(xiàn)象。流體通過某物體表面時所發(fā)生的熱交換過程，稱為對流換熱。若流體運動是借由溫度差所造成的密度變化，產生浮力帶動運動，此種熱傳送為自然對流；若是借由外在動力驅動流體運動將熱帶走，則稱為強制對流，如風機等引起的。對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算：Q=hA(Th-Tc)式中：h對流換熱系數(shù)，W/(m2·oC)；A對流換熱面積，m2； Th熱表面溫度，oC；Tc冷卻流體溫度，oC。表3-2 對流換熱系數(shù)大致范圍對流換熱方式換熱系數(shù)（W/（m2·）空氣自然對流110氣體強迫對流10

29、100水自然對流2001000熱對流改善:1、 增加流過器件表面的風速，增加流體換熱系數(shù)（單位：W/m2.oC）； 2、增加有效換熱面積。3.4.3 輻射輻射是指經由紅外線、光及電磁波等從物體表面?zhèn)鬟f的方式。太陽的熱量穿過真空宇宙到達地球，這也屬于輻射。輻射中熱量是否易于吸收和放出取決于表面的溫度及顏色等。就顏色大體而言，黑色容易吸收，白色則較難。如果用數(shù)值表示，其數(shù)值范圍是01。理論上講，全黑物質為1，鋁為0.050.5,鐵為0.60.9,黑色樹脂為0.80.9，這就是熱輻射率（沒有單位）。任意物體的熱輻射能力表示為：F=Ao(TW4-TS4)式中：物體的黑度；o斯蒂芬.波爾茲常數(shù)（5.67

30、×10-8/mk4）;A輻射表面積，m2;T物體表面的熱力學溫度，K。因為LED輻射散熱比較少，在此就不加說明如何改善輻射散熱。3.5 LED常用的加快散熱方法LED常用的加快散熱方法有采用倒裝焊、使用散熱器，使用導熱性能良好的粘接材料等。一. 采用倒裝焊為了提高功率型LED器件的散熱能力和出光效率，產生了倒裝焊芯片(flip-chip)結構。圖3-5分別給出了目前常用的正裝與倒裝焊功率型LED芯片結構的示意圖。倒裝焊結構的特點在于以熱導率較高的Si(或陶瓷)材料作為器件熱傳導的介質，通過倒裝焊技術將LED芯片鍵合在Si襯底上。與正裝結構的LED相比，倒裝焊芯片結構使器件產生的熱量不

31、必經由藍寶石襯底，而是由焊接層傳導至Si襯底，再經Si襯底和粘接材料傳導至金屬底座。由于Si材料的熱導率較高，可有效降低器件的熱阻，提高其散熱能力。（a） 正面出光大功率LED芯片結構圖 （b）倒裝焊大功率LED芯片結構圖1-GaN；2-藍寶石；3-粘接材料；4-基板 1-藍寶石；2-GaN ；3-焊接層；4-Si襯底；5-粘接材料；6-基板圖3-5 正裝與倒裝焊LED芯片結構示意圖二. 使用散熱器目前常用于功率電子設備的散熱技術有風冷、水冷、微管道散熱、熱管技術等。利用風冷散熱器對電子芯片進行冷卻是最簡單、最直接、成本最低的散熱方式。一般來說，空氣冷卻或強制風冷技術大多應用在低功耗或中等功耗

32、的器件或電子設備中。目前，最好的散熱是熱管技術。風冷散熱器的原理很簡單：芯片耗散的熱量通過粘接材料傳導到金屬底座上，再傳導到散熱片上，通過自然對流或強制對流把熱量散發(fā)到空氣中。傳導和對流是兩種主要的傳熱方式。要在允許的溫度條件下將芯片耗散的熱量傳遞到大氣環(huán)境，可以采取下列方法加強傳導和對流散熱。1.采用導熱性能好的材料作散熱器：在常見的金屬中，銀的導熱率最高，但是它的價格著實不菲?，F(xiàn)在常用的散熱器材料主要是鋁和銅。鋁價格便宜，密度小，好加工，導熱性能良好。相比較而言，銅的導熱率比鋁的大，許多散熱能力超強的散熱器均采用純銅打造。但銅材料價格昂貴、易氧化，加工成本高。目前出現(xiàn)銅鋁復合型散熱器，即底

33、部為銅，散熱片為鋁，具有良好的散熱性能和經濟性。2.增大散熱器的散熱面積：散熱面積越大的散熱器，其熱容量越大。散熱器的肋片越多，其散熱表面積越大，這樣熱量可以散發(fā)得更快。不3.強迫風冷：選擇合適的風扇或鼓風機，加快散熱片周圍空氣的流動，可以改善氣流組織，提高對流換熱系數(shù)，從而改善散熱效果水冷又稱為液冷。它的散熱效率高，熱傳導率為傳統(tǒng)風冷方式的20倍以上，且無風冷散熱的高噪音，能較好地解決降溫和降噪問題。水冷散熱裝置大致可分為微型水泵、循環(huán)管、吸熱盒和散熱片四個部分。水冷散熱的原理很簡單，水冷散熱是一個密閉的液體循環(huán)裝置，通過泵產生的動力，推動密閉系統(tǒng)中的液體循環(huán)，將吸熱盒吸收的芯片產生的熱量，

34、通過液體的循環(huán)，帶到面積更大的散熱裝置，進行散熱。冷卻后的液體再次回流到吸熱設備，如此循環(huán)往復。三使用導熱性能良好的粘接材料無論采取正裝焊或倒裝焊，芯片都需通過粘接材料粘接到金屬熱沉上。采用熱導率更高的粘接材料，同時減小粘接材料層的厚度，可以顯著降低倒裝焊LED的熱阻，提高器件的散熱能力。第三章小結：要提高LED的發(fā)光效率，LED系統(tǒng)散熱與設計是一個很重要的課題，在了解散熱問題之前，要先了解其散熱途徑，從而進行改善。LED的散熱途徑主要有以下幾種，如圖3-6所示。圖3-6 LED散熱途徑 從空氣中散熱。 由系統(tǒng)的電路板導出。 由金線導出。 由通孔至系統(tǒng)電路板導出（共晶或覆晶制造過程）。因此在設

35、計散熱問題時可以著重考慮以上幾種途徑散熱。散熱并不是導熱，對LED來說，基板的主要功能是導熱而非散熱，將熱傳到空氣中才叫散熱。以上分析有說到可以用風扇作為散熱器，但因為風扇轉動無法節(jié)能，還會有灰塵堆積，這對LED來說是致命的損害，而且散熱效果又有限，所以這種想法很難實施。LED散熱途徑最主要就有和，分別占散熱比例為74%和18%。但經由電極金線散熱因為金線短小細長也會有限制。所以一般的LED可以考慮用導熱性比較好的鋁或銅來做基板，還可以采用陶瓷做基板，基板材料的選擇很重要，當然，無論哪一種設計，最主要的是考慮成本問題，只要散熱成本低而且效果好，那么LED走進尋常百姓家的日子也就不遠了。四 大功

36、率LED散熱設計隨著新技術的開發(fā)，大功率LED發(fā)展迅猛，無論是在結構還是性能方面都有很大的改進，產量增加、價格降低；同時也開發(fā)了超大功率白光LED。與前幾年相比較，在發(fā)光效率上有長足的進步。例如，Edison公司前幾年的20W白光LED，其光通量為700lm，發(fā)光效率為35lm/W。2007年開發(fā)的100W白光LED，其光通量為6000lm，發(fā)光效率為60lm/W。用大功率LED做的燈具其價格比白熾燈、日光燈、節(jié)能燈要高得多，但它的節(jié)能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果在路燈系統(tǒng)及候機大廳、大型百貨商場或超市、高級賓館大堂等用電大戶的公共場所全部采用LED燈具，其一次性投資較高，但長期的節(jié)電效

37、果及經濟性都是值得期待的。大功率LED的主要優(yōu)勢： LED芯片的價格降低到原來芯片的幾分之一。 現(xiàn)有產能增加幾倍，而沒有增加其它昂貴的設備投資，降低了風險。 提高了新擴產設備的生產能力。4.1大功率LED散熱LED是個光電器件，其工作過程中只有15%25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個大問題。例如，1個10W白光LED若其光電轉換效率為20%，則有8W的電能轉換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會急速上升，當其結溫（TJ）上升超過最大允許溫度時（一般是125），大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設計中，

38、最主要的設計工作就是散熱設計。另外，一般功率器件（如電源IC）的散熱計算中，只要結溫小于最大允許結溫溫度就可以了。但在大功率LED散熱設計中，其結溫TJ要求比125低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響：TJ越高會使LED的出光率越低，壽命越短。4.2 大功率LED散熱計算若結溫為TJ、環(huán)境溫度為TA、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關系為：RJA=（TJTA）/PD  (1)式中PD的單位是W。PD與LED的正向壓降VF及LED的正向電流IF的關系為：PD=VF×IF   (2)如果已測出LED散熱墊的

39、溫度TC，則(1)式可寫成：RJA=(TJTC)/PD+(TCTA)/PD                  則RJC=(TJTC)/PD    (3)RBA=(TCTA)/PD   (4)在散熱計算中，當選擇了大功率LED后，從數(shù)據資料中可找到其RJC值；當確定LED的正向電流IF后，根據LED的VF可計算出PD；若已測出TC的溫度，則按（3）式可求出TJ來。在測TC前，先要

40、做一個實驗板（選擇某種PCB、確定一定的面積）、焊上LED、輸入IF電流，等穩(wěn)定后，用K型熱電偶點溫度計測LED的散熱墊溫度TC。在（4）式中，TC及TA可以測出，PD可以求出，則RBA值可以計算出來。若計算出TJ來，代入（1）式可求出RJA。這種通過試驗、計算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計算出來的TJ小于要求（或等于）TJmax，則可認為選擇的PCB及面積合適；若計算來的TJ大于要求的TJmax，則要更換散熱性能更好的PCB，或者增加PCB的散熱面積。另外，若選擇的LED的RJC值太大，在設計上也可以更換性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使?jié)M足計算出來的TJTJm

41、ax。這些下面將會說明。4.3 大功率LED散熱設計這里采用了國星光電股份有限公司的測量TC的實例中取部分數(shù)據作為計算舉例。已知條件如下：圖4-3-2 6070散熱示意圖圖4-3-1 6070外觀LED：2W白光LED、型號6070、RJC=18/W。K型熱電偶點溫度計測量頭焊在散熱墊上。PCB試驗板：雙層敷銅板（6.0×7.0mm）、t=3.8mm。LED工作狀態(tài)：IF=350mA、VF = 3.2V。按圖4-3-2用K型熱電偶點溫度計測TC，TC=70。測試時環(huán)境溫度TA =25. 圖4-3-2 TC測量1. TJ計算TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×V

42、F）+TCTJ=18/W（350mA×3.2V）+70=90.162. RBA計算RBA=（TCTA）/PD   =（7025）/1.12W   =40.18/W3. RJA計算RJA=RJC+RBA=18/W+40.18/W =58.18/W如果設計的TJmax=90，則按上述條件計算出來的TJ不能滿足設計要求，需要改換散熱更好的PCB或增大散熱面積，并再一次試驗及計算，直到滿足TJTJmax為止。上式計算中70有一些誤差，應焊上新的9/W的LED重新測TC（測出的值比70略?。?。這對計算影響不大。采用了9/W的LED后不用改變PCB材質及面

43、積，其TJ符合設計的要求。上面的計算中TJ=90.16其實已經符合設計要求，6070采用銅柱型垂直散熱結構，散熱性能優(yōu)異。它的光通量/lm為110流明，色溫/K 為4000K，給人一種爽快的感覺，它主要應用于射燈、軌道燈、路燈、隧道燈等照明產品。可以說6070是國星光電的一款優(yōu)秀產品。4.4 大功率LED關鍵技術大功率LED封裝的關鍵技術包括低熱阻封裝技術、高取光率封裝結構、陣列封裝與系統(tǒng)集成技術和金屬鍵合技術。（1） 低熱阻封裝技術LED封裝熱阻主要包括材料內部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產生的熱量，并傳導到熱沉上，實現(xiàn)與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬和復合材料等

44、。（2）高取光率封裝結構對灌封膠的要求：透光率高，折射率高，熱穩(wěn)定性好，流動性好，易于噴涂，低吸濕性，低應力，耐老化等特性。硅膠具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應力小，吸收性低等特點，但受環(huán)境溫度影響較大，隨溫度升高，硅膠內部的熱應力加大，導致硅膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強分布。（3）陣列封裝與系統(tǒng)集成技術A、引腳式LED封裝B、表面組裝式封裝（SMT-LED）C、板上芯片直裝式LED封裝（COB）D、系統(tǒng)封裝式LED封裝 （4）金屬鍵合技術晶片鍵合：指芯片結構和電路的制作、封裝都在晶片上進行，封裝完成后再進行切割，形成單個芯片。芯片鍵合：指芯片結構和電路在晶片上完成后，即進行

45、切割形成芯片，然后對單個芯片進行封裝。金屬鍵合：采用金屬與金屬或者金屬與硅片的鍵合技術，采用導熱良好的硅片取代原有的GaAs或藍寶石襯底。 （5）封裝基板新技術金屬系高散熱基板：硬質系和可撓曲系基板。硬質系基板屬于傳統(tǒng)金屬基板；可撓曲系基板是通過鋁質基板薄板化賦予封裝基板可撓曲特性。A、高效率化金屬基板 利用環(huán)氧樹脂系接著劑將銅箔黏貼在金屬基材的表面，通過金屬基材與絕緣層材質的組合變化，制成各種用途的LED封裝基板。B、可撓曲基板主要用途大多集中在布線用基板，以往高功率晶體管與IC等高發(fā)熱元件幾乎不使用可撓曲基板，最近幾年液晶顯示器為滿足高亮度化需求，要求在可撓曲基板上高密度設置高功率LED。 高熱傳導撓曲基板在絕緣層粘貼金屬箔，可以設置高發(fā)熱元件。C、陶瓷封裝基板 LED封裝用陶瓷材料分成氧化鋁與氮化鋁，氧化鋁的熱傳導率是環(huán)氧樹脂的55倍，氮化鋁則是環(huán)氧樹脂的400倍。4.5 大功率LED的發(fā)展趨勢 模塊化通過多個LED燈（或模塊）的相互連接可實現(xiàn)良好的流明輸出疊加，滿足高亮度照明的要求。通過模塊化技術，可以將多個點光源或LED模塊按照隨意形狀進行組合，滿足不同領域的照明要求。 系統(tǒng)效率最大化為提高LED燈具的出光效率，除了需