LED封裝與散熱研究論文

1、PAGE LED封裝與散熱研究摘要：本研究旨在為高亮度照明LED的散熱和封裝提供一些理論與設備基礎，以節(jié)約能源、保護環(huán)境、降低成本、提高燈具使用壽命推動高亮度白光 LED 的發(fā)展應用。關鍵詞：高亮度發(fā)光二極管，固體照明封裝，散熱1 引言本文的主要內(nèi)容是針對白光 LED 在照明領域的應用市場，研發(fā)白光 HB-LED 芯片 的散熱和封裝技術。在第一章緒論中主要介紹了目前 LED 的發(fā)展狀況，照明的優(yōu)點及 可行性，分析了 LED 在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和市場應用前景；在第二章中，主要介紹 LED 發(fā)光原理、HB-LED 芯片的制作工藝流程和芯片電極結構以及封裝結構的演變過程；第 三章介紹了 LED 散熱

2、制冷的各種方式及其原理，包括風冷、熱管、熱電等制冷方式； 第四章介紹了 microjet 水冷方式，對減摩防粘進行了研究，并對 microjet 水冷進行了熱 模擬；第五章利用 microjet 冷卻系統(tǒng)，來對高功率 LED 進行制冷實驗，與其他制冷方式 進行散熱效果比較，并做了一些可靠性試驗；最后一章給出了全文總結?！熬G色照明”是九十年代初國際上對節(jié)約電能、保護環(huán)境的照明系統(tǒng)的形象性說法。 綠色照明的科學定義為：綠色照明是指通過科學的照明設計，采用效率高、壽命長、安 全和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品（電光源、燈用電器附件、燈具、配線器材，以及調(diào)光器 件和控光器件），改善提高人們工作、學習、生活的條

3、件和質(zhì)量，從而創(chuàng)造一個高效、 舒適、安全、有益的環(huán)境并充分體現(xiàn)現(xiàn)代文明的照明。許多發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家 先后制定了“綠色照明工程”計劃，并取得了顯著效果。照明的質(zhì)量和水平已成為人類 社會現(xiàn)代化程度的一個重要標志之一，成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的一項重要的措施。作為固體光源的LED（Light Emitting Diode）發(fā)光二極管，真正點燃了“綠色照明” 的光輝，被認為是 21 世紀最有價值的新光源，將取代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導，使照明技術面臨一場新的革命，從而一定程度上改善人類的生產(chǎn)和生活方式。LED照明的應用前景在全世界都掀起了高潮，被寄予了厚望。而我國科技部有關領導提出：我們

4、要以2008年北京奧運會和2010年上海世博會為契機，推動半導體燈在城市景觀照明的應用?？萍疾俊皣野雽w照明工程”計劃 2007 年半導體照明逐步取代白熾燈，2012年后取代熒光燈。據(jù)預測，在汽車尾燈、交通燈、公共設施以及家庭照明需求的帶動下，2003-2007 年我國高亮度發(fā)光管芯市場規(guī)模將保 持將近25.0%的增長速度，到2007年我國高亮度 LED 管芯市場規(guī)模將會突破20億元。中國作為 13 億人口大國，電力能源相對來說比較貧乏，并且隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，照明用電在電力消費中占的比例逐年提高。進入九十年代，我國照明用電的增長在 15%以上，但是我國照明用電的結構中普

5、通白熾燈仍占有極大的比例。我國人均擁有光源的數(shù)量仍比較低，與日本相比，燈的數(shù)量是日本的 4.7 倍，使用電力是日本的5.9倍，而燈的平均光效率只是日本的 1/3。因此，我們在項目支持下，研究高亮度 LED 照明，以節(jié)約能源，保護環(huán)境，提高照明質(zhì)量。本文的主要內(nèi)容是針對白光LED在照明領域的應用市場，研發(fā)白光 HB-LED 芯片 的散熱和封裝技術。在第一章緒論中主要介紹了目前LED的發(fā)展狀況，照明的優(yōu)點及可行性，分析了LED在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和市場應用前景；在第二章中，主要介紹LED發(fā)光原理、HB-LED 芯片的制作工藝流程和芯片電極結構以及封裝結構的演變過程；第三章介紹了 LED 散熱制冷的各

6、種方式及其原理，包括風冷、熱管、熱電等制冷方式；第四章介紹了 microjet 水冷方式，對減摩防粘進行了研究，并對 microjet 水冷進行了熱 模擬；第五章利用 microjet 冷卻系統(tǒng)，來對高功率 LED 進行制冷實驗，與其他制冷方式 進行散熱效果比較，并做了一些可靠性試驗；最后一章給出了全文總結。2 HB-LED 封裝基礎2.1 HB-LED 發(fā)光原理以及結構圖1為LED發(fā)光機理圖，發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋

7、放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能，能量大小為h（h為普朗克常數(shù),為頻率）而發(fā)出光子，該能量差相當于半導體材料的帶隙能量Eg ( 單位：電子伏Ev) ,其與發(fā)光波長(單位：m) 的關系為= 1.24/Eg，因此通過選擇不同的帶隙寬度的材料，其發(fā)光譜可以從紅外、可見光、以及紫外波段。PN結加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。圖 1 LED 器件的結構和發(fā)光原理圖圖2 不同電極結構的電流擴展分布

8、為了減少橫向LED芯片中電流不均勻分布，有效電流路徑長度必須很短并且同等，該長度決定于p電極和n電極的空間距離。圖2 (b)芯片電極通過優(yōu)化后電流密度在整個 芯片分布的均勻性要比圖2 (a)好。因此對于大芯片LED，單獨一個電極設計是不利 于電流擴散，而采用梳狀條形交叉電極、梳狀條形與點狀結合的電極以及米字形的電極 結構設計，可以使得芯片內(nèi)電流分布比較均勻。目前主流的HB-LED的電極結構主要有下列幾種形式，如圖2所示。圖 3大功率HB-LED芯片電極結構圖3為大芯片歐姆接觸頂部做成梳狀電極的特點：兩端各有兩個電極用的圓形接 觸盤，通電后條形電極之間的區(qū)域?qū)泄獍l(fā)出，從而實現(xiàn)由點光源到面光源

9、的過渡， 提高芯片總的光輸出通量。圖4為梳狀條形與多點接觸的電極主要是結合在硅片上倒裝(flipchip)技術，能更有效提高HB-LED的取光效率。圖4 頂面發(fā)光大功率 LED電極圖5 HB-LED芯片倒裝焊在Si基板上圖6米字形上下電極結構圖6為美國 Cree 公司的專利產(chǎn)品，米字形電極結構主要應用在基于導電碳化硅（SiC）襯底生長的 LED，其電流是垂直擴散，比起在絕緣透明藍寶石（Sapphire）襯底上生長 GaN 基 LED 的橫向擴散電流，電流分布均勻性更好。通過擴大 LED 芯片面積，使得 LED 輸出功率提高，發(fā)光亮度得以大幅度地提高，不過若一味加大芯片面積，反而會出現(xiàn) LED

10、內(nèi)部的光吸收比率增加、外部量子效率降低等不利的現(xiàn)象。從圖7可以看到，隨著芯片二維尺寸的增加，芯片本身的發(fā)光效率下降的很快。圖7芯片尺寸與其量子效率的關系2.2封裝結構的演變LED 封裝的主要目的是為了確保發(fā)光芯片和下一層電路間的電氣和機械性的正確 接觸，并保護發(fā)光芯片不會受到機械、熱、潮濕及其它的外部沖擊。同時，由于 LED要實現(xiàn)其光學方面的特性，封裝時也需要考慮和確保其光學特性能滿足要求。LED 封裝方法、材料和封裝設備的選取主要是由 LED 芯片的結構、電氣/機械特性、精度和單價等因素決定的。LED 產(chǎn)業(yè)經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，經(jīng)過了支架式 LED(Lead LED)、普通貼片式 LED(

11、Chip SMD LED)、功率 LED(Power LED)、大功率 LED(High Power LED)等發(fā)展歷程。圖 8 為 LED 發(fā)光器件封裝結構的演變，從圖中可以看出，LED 器件封裝的熱阻越來越小。由于大功率 LED 芯片結構與封裝散熱特性的改善，即使驅(qū)動電流到 80A/cm2，甚至高達 100A/cm2(相當于 1mm2 的芯片的驅(qū)動電流達 1A)，也不會出現(xiàn)光輸出飽和現(xiàn)象。相比較之下，傳統(tǒng)的低散熱支架式 LED，驅(qū)動電流如果超過 20A/cm2 時就會急速產(chǎn)生光 輸出飽和問題從實際應用的角度來看：安裝使用簡單、體積相對較小的大功率 HB-LED 器件在大部分的照明應用中必將

12、取代傳統(tǒng)的小功率 LED 器件。小功率的 LED 組成的照明燈具為了達到照明的需要，必須集中許多個 LED 的光能才能達到亮度要求。帶來的缺點是線路異常復雜，散熱不暢，為了平衡各個 LED 之間的電流電壓關系必須設計復雜的供電電路。相比之下，大功率 HB-LED 單芯片的功率等于若干個小功率 LED 的總和，供電線路相對簡單，散熱結構完善，物理特性穩(wěn)定。在完成大芯片制作后，面臨著如何將大芯片進行封裝的挑戰(zhàn)。對于大功率 LED 器件的封裝方法我們并不能簡單的套用傳統(tǒng)的小功率 LED 器件的封裝方法與封裝材料。 簡單的增大發(fā)光面積無法解決根本的散熱問題和取光問題，因此也就無法達到預期的光 通量和實

13、際應用效果。功率型 HB-LED 的熱特性直接影響到 LED 的工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光光譜、使用壽命等性能，因此，對功率型 LED 芯片的封裝設計、制造技術更顯得尤為重要?？梢赃@樣說，封裝是一門技術，更是一門科學藝術。LED 芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產(chǎn)生比 5mmLED 大 10-20 倍的光通量，必須設計有效的散熱結構和選用不劣化的封裝材料來解決光衰減問題。因此，管殼設計及其封裝也是其關鍵技術。大的耗散功率，大的發(fā)熱量，高的出光效率給我們的封裝工藝封裝設備和封裝材料提出了新的要求，必須采用新的設計和封裝理念。 目前能承受數(shù)瓦功率的 LED 封裝已出現(xiàn)，5W 系列白、綠、藍綠、

14、藍的功率型LED 從 2003 年初開始供貨，目前正開發(fā)可承受 10W 功率的大面積管 LED，尺寸大約為 2.52.5mm2，可在 5A 電流下工作，光輸出達 2001m，作為固體照明光源有很大發(fā)展 空間。首先制備出具有適合共晶焊接電極的大尺寸倒裝焊 LED 芯片(FlipChip LED，簡稱 FC-Chip)。同時制備出相應尺寸的硅底板，并在其上制作出供共晶焊接的金導電層及引出導電層(超聲金絲球焊點)。然后，利用共晶焊接設備將大尺寸 LED 芯片與硅底板焊接在一起，如圖 所示。這樣的結構較為合理，即考慮了取光問題又考慮到了散熱問題，這是目前主流的大功率HB- LED 生產(chǎn)方式。美國 Lu

15、miLeds 公司在 2001 年 研制出了 AlGaInN 功率型倒裝芯片結構，具體做法為：圖8 LED封裝結構的演變以及熱阻的變化趨勢第一步，在外延片頂部的 P 型 GaN：Mg 淀積厚度大于 500A 的 NiAu 層，用于歐姆接觸和背反射。第二步，采用掩模選擇刻蝕掉 P 型層和多量子阱有源層，露出 N 型層。 第三步，淀積、刻蝕形成 N 型歐姆接觸層，芯片尺寸為 11mm2，P 型歐姆接觸為正方形或者圓形焊盤，N 歐姆接觸以梳狀插入其中，這樣可縮短電流擴展距離，把擴展電阻降至最小。第四步，將金屬化凸點的 AlGaInN 芯片倒裝焊接在具有防靜電保護二極管(ESD)的硅載體上。先利用 L

16、ED 晶片廠通用設備制備出具有適合共晶焊接電極結構的大出光面積的LED芯片和相應的陶瓷底板，并在上制作出共晶焊接導電層及引出導電層。之后利用共 晶焊接設備將大尺寸 LED 芯片與陶瓷底板焊接在一起,如圖 所示。這樣的結構考慮了出光問題也考慮到了散熱問題，并且采用的陶瓷底板為高導熱陶瓷板，散熱的效果非 常理想，價格又相對較低所以為目前較為適宜的底板材料，并可為將來的集成電路化一 體封裝伺服電路預留下了安裝空間。美國 Cree 公司是采用 SiC 襯底制造 AlGaInN 超高亮度 LED 的全球唯一廠家，幾年來 AlGaInN/SiC 芯片結構不斷改進，亮度不斷提高。由于 P 型和 N 型電極分

17、別位于芯片的底部和頂部，單引線鍵合，底部能與散熱金屬層或者硅基板直接鍵合，兼容性較好， 因而成為 AlGaInN LED 發(fā)展的另一主流。2.3 白光 LED 原理由于 GaN 基寬帶隙半導體材料技術的突破，使得 LED 正在由指示和顯示向家用普 通照明領域擴展，這一發(fā)展趨勢使得人們把 LED 技術研發(fā)重點放在白光 LED 上面。目前，白光 LED 技術主要有三種，其各種實現(xiàn)方式的優(yōu)缺點如表 9 所示。(1) 用 InGaN 藍色 HB-LED 管芯上加少量釔鋁石榴石為主的熒光粉；(2) 利用三基色原理將紅、綠、藍三種 HB-LED 混合成白光；(3) 用紫外光 LED 激發(fā)三基色熒光粉或其他

18、熒光粉，產(chǎn)生多色光混合成白光。(a)藍光芯片激發(fā)黃色熒光 (b)藍光光譜與黃光光譜混合成白光圖9 白光 LED 的合成原理以及激發(fā)光譜目前國際上通常采用的 GaN 基藍光 HB-LED 管芯的發(fā)射波長在 460nm470nm之間，要求熒光粉的激發(fā)光譜也在這個范圍之內(nèi)，同時要匹配成白光，熒光材料的發(fā)射光譜的波峰需在 570nm 附近。2.4HB-LED 封裝工藝2.4.1 LED 陣列模組的設計：模組的設計主要步驟有：(1) 設計覆銅板上電氣連接以及芯片放置的位置和距離，選擇高散熱性能的覆銅板， 如圖 (a)所示。選擇材料以及大小尺寸，優(yōu)化模組中芯片之間的最小間隔 d；由于集成多個芯片，如果過于

19、密集，模組工作時，各個芯片的熱場會相互重疊，那么影響芯片溫升的條件不僅自身熱學性能有關，還跟周圍其他芯片的熱場有關。 圖10 (a)覆銅板上設計 22 芯片陣列的電路 (b) 完成金線鍵合的 芯片陣列(2) 采用 Chip-On-Board 技術把完成倒裝焊的芯片焊接在電路層上的預留的焊盤上， 然后將芯片上焊盤與電極用金線鍵合起來，如圖10(b)所示。 (3) 將熒光粉配膠涂在芯片的表面上，圖 11 為用手工涂敷在芯片上的熒光粉涂 層。圖 11 手工涂上熒光粉涂層的 LED 陣列(4) 將涂好熒光粉涂層的 LED 放入烘箱中烘烤 1-2 個小時，溫度在 120150oC 范 圍之內(nèi)，固化后把反

20、光杯固定在線路板上，并填入絕緣、柔性、光學透明的硅樹脂。重 新放入烘箱中烘烤，將硅樹脂熱固化，圖12 為填入硅樹脂的 LED 器件。(5) 根據(jù)光圖樣分布要求安裝模組透鏡或者反射器，得到 LED 陣列模組。(6) 模組由于發(fā)熱量很大，要可靠穩(wěn)定工作，單靠覆銅板的散熱結構還遠遠不夠。3 LED 散熱方式比較LED 發(fā)光是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生的，其光譜中不包含紅外部分，LED 的熱量不能靠輻射散出，因此 LED 是“冷”光源。目前 LED 的發(fā)光效率僅能達到 10%20%， 也就是說，還有80%-90%的能量轉(zhuǎn)換成了熱能，如果 LED 芯片的熱量不能散出去，會加速芯片的老化，還可能導致焊錫的融化

21、，使芯片失效，具體表現(xiàn)為：(1) 發(fā)光強度降低，隨著芯片結溫的增加，芯片的發(fā)光效率效率也會隨之減少，芯 片結溫越高，發(fā)光強度下降越快。(2) 發(fā)光主波長偏移，當LED 的溫度升高時，LED的波長的大致變化規(guī)律為每升 高 10 度，波長紅移 1nm，主波長的變化將會引起混色效果的變化，還會偏移黃色熒光 粉的激發(fā)峰值，致使轉(zhuǎn)換效率下降。(3) 嚴重降低 LED 的壽命，加速 LED 的光衰。 所以芯片的溫度不能超過 125，LED 芯片的溫度Tj 可由下式求出：Tj = Ta + Q ja P式中，Ta 為環(huán)境溫度，P為LED的功率（W）； Q ja 為芯片和環(huán)境之間的熱阻，其單位為/W。顯然，要

22、想有效地降低芯片的溫度，就必須盡可能減少熱阻Q ja ，因此為了保證LED的壽命，散熱成了大功率LED應用的一個關鍵因素。LUMILEDS FLIP-CHIP提 高了內(nèi)量子的效率，從而增加了芯片的發(fā)光效率，減少了熱量的產(chǎn)生。此外通過改進LED的封裝結構，使熱量更容易散出來圖12 帶散熱器的 LED 模塊照明系統(tǒng)(1) 用倒裝焊的結構，利用硅片來散熱。(2) 用極薄的導熱膠將GaN芯片粘在方型的鋁熱沉上，與5mm的LED僅靠碗狀模 具散熱相比，更有利于熱量的傳輸。(3) 使用中將封裝好的LED固定在合適的散熱板上。3.1散熱途徑研究散熱的基本途徑主要有以下三種：熱傳導、對流、輻射。與其他固體半導

23、體器件相 比，LED 器件對溫度的敏感性更強。由于受到芯片工作溫度的限制，芯片只能在 125 度以下工作，因此器件的熱輻射效應基本可以忽略不計。傳導和對流對 LED 散熱比較重要。從熱能分析，假設 Q=發(fā)散功率 (Pd) = Vf If，而且 Vf 和 If 相對變化比較小。所以我們在做散熱設計時主要先從熱傳導方面考慮，熱量預先從 LED 模塊中傳導到散熱器。兩種典型的散熱結構如圖13 所示。左圖是小功率 LED 的封裝結構，由于其發(fā)熱量非常小，基本上不用做什么散熱措施。右圖是大功率 LED 的封裝結構，散熱主要依靠下部的熱沉(Heatsink Slug)。雖然風冷散熱器中“風”起著至關重要的

24、作但沒有優(yōu)秀的散熱片作為基礎，“風 力”則無從發(fā)揮?？梢哉f，散熱片的結構設計、材料選擇、制作工藝對風冷散熱器的性 能起著決定性的作用，也是判斷風冷散熱器性能時需要注意的第一要素。下面就介紹一下風冷散熱器中這個最重要的組成部分散熱片，散熱片擔負著將發(fā)熱物體產(chǎn)生的熱量散失到周圍空氣中的使命，是風冷散熱器中的熱量傳導通道。其主要作用有三：(1) 吸熱吸收體積、面積較小的發(fā)熱物體的熱量，令其不致因熱量堆積而溫度 急劇升高，導致各種不希望看到的后果；(2) 導熱將吸收的熱量在內(nèi)部傳導到散熱片的各個部分，充分利用較大的熱容 量與表面積；(3) 散熱通過表面的各種熱交換途徑（主要是熱對流）將熱量散失到空氣之

25、中（可配合風扇進行強制對流）。圖135mmLED 橫截面視圖（左）和 Luxeon LED 橫截面視圖（右）此三種主要作用互相配合，形成一套完整的散熱途徑。其中任何一種作用無法發(fā)揮，或未完全發(fā)揮，都可能導致散熱性能的大幅降低，甚至完全喪失。熱阻和風阻是衡量風冷和散熱片的兩個重要指標熱阻，英文名稱為 thermal resistance，即物體對熱量傳導的阻礙效果。熱阻的概念 與電阻非常類似，單位也與之相仿/W，即物體持續(xù)傳熱功率為 1W 時，導熱路徑兩端的溫差。以散熱器而言，導熱路徑的兩端分別是發(fā)熱物體（如 LED 等）與環(huán)境空氣。散熱器熱阻（發(fā)熱物體溫度環(huán)境溫度）導熱功率。散熱器的熱阻顯然是

26、越低越好相同的環(huán)境溫度與導熱功率下，熱阻越低，發(fā)熱物體的溫度就越低！必須注意：上述公式中為“導熱功率”，而非“發(fā)熱功率”！因為無法保證發(fā)熱物體所產(chǎn)生的熱量全部通過散熱器一條路徑傳導、散失，任何與發(fā)熱物體接觸的低溫物體（包括空氣）都可能成為其散熱路徑，甚至還可以通過熱輻射的方式散失熱量。所以，當環(huán)境或發(fā)熱物體溫度改變時，即使發(fā)熱功率不變，由于通過其它途徑散失的熱量改變，散熱器的導熱功率也可能發(fā)生較大變化。如果以發(fā)熱功率計算，就會出現(xiàn)散熱器在不同環(huán)境溫度下熱阻值不同的現(xiàn)象。常見金屬材料的熱傳導系數(shù)如表14，其中熱傳導系數(shù)的單位為 W/mK，即截面積為 1 平方米的柱體沿軸向 1 米距離的溫差為 1

27、 開爾文（1K1）時的熱傳導功率。 熱傳導系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地柔軟、密度過大、及價格過于昂貴而無法廣泛采用；鐵則由于熱傳導率過低，無法滿足高熱密度場合的性能需要，不適合用于制作計算機空冷散熱片。銅的熱傳導系數(shù)同樣很高，可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高加工難度大等不利條件，在計算機相關散熱片中使用較少，但近兩年隨著對散熱設備性能要求的提高，越來越多的散熱器產(chǎn)品部分甚至全部采用了銅質(zhì)材料。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導系數(shù)較高、密度小、價格低而受到青睞；但由于純鋁硬度較小，在各種應用領域中通常會摻加各種配方材料制成鋁合金，寄此獲得許多純鋁所不具備的 特性，而成為了散熱片加工材料的理想

28、選擇。各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要，通過調(diào)整配方材料的成分與比例，可以獲得各種 不同的特性，適合于不同的成形、加工方式，應用于不同的領域。上表中列出的 5 種不同鋁合金中：AA6061 與 AA6063 具有不錯的熱傳導能力與加工性，適合于擠壓成形工藝，在散熱片加工中被廣為采用。ADC12 適合于壓鑄成形，但熱傳導系數(shù)較低，因此 散熱片加工中通常采用 AA1070 鋁合金代替，可惜加工機械性能方面不及 ADC12。 AA1050 則具有較好的延展性，適合于沖壓工藝，多用于制造細薄的鰭片3.3熱管技術研究3.2 熱管的工作原理熱管技術是 1963 年美國 LosAlamos 國家實驗室的 發(fā)明的

29、一種稱為“熱 管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將 發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管技術以前被廣泛應用在宇航、軍工等行業(yè)，自從被引入散熱器制造行業(yè)，使得人們改變了 傳統(tǒng)散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠高風量電機來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，采用熱管技術使得散熱器即便采用低轉(zhuǎn)速、低風量電機，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風冷散熱的噪音問題得到良好解決，開辟了散熱行業(yè)新天地。 圖14 熱管的工作原理從熱力學的角度看，為什么熱管會擁有如此良好的導熱能力呢？物體的吸熱、放熱 是相對的，凡是有溫度差存在的時候，就必然出

30、現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。從 熱傳遞的三種方式：輻射、對流、傳導，其中熱傳導最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使 得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管 內(nèi)部是被抽成負壓狀態(tài)，充入適當?shù)囊后w，這種液體沸點低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯， 其由毛細多孔材料構成。熱管一段為蒸發(fā)端，另外一段為冷凝端，當熱管一段受熱時， 毛細管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重 新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來。典型的熱管由管殼、吸液

31、芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3 101 1.3 104 Pa 的負壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。 管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不 己，熱量由熱管的一端傳至另端。熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下六 個相互關聯(lián)的主要過程：(1)熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到（液汽）分界面； (2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的（液汽）分界面上蒸發(fā)； (

32、3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段； (4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽液分界面上凝結：(5)熱量從（汽液）分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源：(6)在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。熱管的基本特性熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性(1) 很高的導熱性熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數(shù)量級的熱量當然，高導熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，可能違反熱力學第二定律，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限；熱管的軸向?qū)嵝院軓姀较虿o太大的改

33、善(徑向熱管除外)。(2) 優(yōu)良的等溫性 熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學中的方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。(3) 熱流密度可變性 熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以 解決的傳熱難題。(4) 熱流方向酌可逆性 一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細力， 因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。

34、此特點可用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星在空間的溫度展平，也可用于先放熱后吸熱的化學反應器及其他裝置。(5) 熱二極管與熱開關性能熱管可做成熱二極管或熱開關，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；熱開關則是當熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當熱源溫度低于這一溫度時，熱管就不傳熱。(6) 恒溫特性(可控熱管)普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變，因 此當加熱量變化時，熱管備部分的溫度亦隨之變化。但人們發(fā)展了另一種熱管可變 導熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣可使 熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實現(xiàn)溫度的控

35、制，這就是熱管的恒溫特性。(7) 環(huán)境的適應性熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機的轉(zhuǎn)軸、燃氣輪機的葉片、鉆頭、手術刀等等，熱管也可做成分離式的，以適應長距離或沖 熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面(重力場)，也可用于空間(無重力場)。3.3熱電制冷研究熱電制冷的理論基礎是固體的熱電效應，在無外磁場存在時，它包括五個效應，導熱、焦耳熱損失、西伯克(Seebeck)效應、帕爾帖(Peltire)效應和湯姆遜(Thomson)效應。 熱電制冷又稱作溫差電制冷，或半導體制冷，它是利用熱電效應（即帕米爾效應）的一種制冷方法。半導體制冷器的優(yōu)勢在于制冷密度大、與 IC 工藝

36、兼容、無運動部件，沒有磨損、并且結構緊湊，可以提高集成度。圖15把一只p型半導體元件和一只n半導體元件連接成熱電偶，接上直流電源后， 在結合處就會產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在上面的一個結合處，電流方向是n-p，溫度下降并且吸熱，這就是冷端。而在下面的一個結合處，電流方向是p-n,溫度上升并且放熱，因此是熱端。金屬熱電偶的帕爾帖效應，可以用接觸電位差現(xiàn)象定性地說明。由于接觸電位差 的存在，使通過結合處的電子經(jīng)歷電位突變，當接觸電位差與外電場同向時，電場力做功使電子能量增加。同時，電子與晶體點陣碰撞特此能量變?yōu)榫w內(nèi)能的增量。結果使 結合的位置的溫度升高，并釋放出熱量。當接觸電位差與外電場反向時，電子

37、反抗電場 力做功,其能量來自結合處的晶體點陣。結果使得結合處的溫度下降，并從周圍環(huán)境吸收 熱量。 圖15 熱電制冷示意圖為了更進一步提高熱電制冷效率，提出采用多級熱電制冷，并且集成熱沉增加與外界環(huán)境的熱交換如圖16。圖16 兩級熱電制冷器半導體制冷用熱管散熱器的設計, 除了需要考慮普通熱管散熱器的設計要求外, 還 有一些自已的特點。下面分別從蒸發(fā)段設計、絕熱段設計、冷凝段設計、工質(zhì)的選用、 充裝量的確定等五個方面予以說明。蒸發(fā)段設計主要需考慮以下四個方面：(1) 要盡可能使熱管蒸發(fā)段底面與器件面有相等的對應接觸面積，以使器件面的熱 流全部被傳遞出來；(2) 充分保證蒸發(fā)底面有良好的平整度和較高

38、的光潔度，以減小其與器件面的接觸 熱阻；(3) 蒸發(fā)段的外表面不宜設置肋片。為減小重量和熱傳遞距離，蒸發(fā)段的長度尺寸 設計應盡可能小一些；(4) 為便于熱流密度展開, 應盡可能地使蒸發(fā)段的有效蒸發(fā)面積大一些，為此對蒸 發(fā)表面進行強化是有益的。絕熱段設計 對于半導體制冷用熱管散熱器而言，其絕熱段實際上沒有什么意義，因此在設計中應該盡可能的減小其長度，以利用于冷凝段面積的擴展。冷凝段設計冷凝段設計需要注意以下四點：(1) 熱管的擴展翼片與管本身最好是一體加工而成，或緊密的金屬化聯(lián)接，以減小 管與翼片之間的傳遞溫差。(2) 應使熱管的擴展翼片對熱管具有最優(yōu)化的翅化比以充分發(fā)揮翼片的效率。(3) 如果

39、空間能夠允許，增加冷凝段的長度，從而增大散熱面積，就完全可以以自 然對流代替強迫風冷散熱，以便消除噪聲。(4) 根據(jù)熱管散熱器不同的安裝方位，對管內(nèi)結構應稍做調(diào)整，以利于工質(zhì)的充分回流。除管內(nèi)應完全清潔干凈外，對重力輔助式熱管內(nèi)部(含蒸發(fā)段和絕熱段) 應設溝槽， 對反重力熱管應設輸液芯（含蒸發(fā)段和絕熱段）。4 封閉式微噴射流冷卻系統(tǒng)4.1微噴散熱的優(yōu)勢風冷主要靠空氣對流來傳熱和降溫，噪聲一般比較大，而且維修起來不方便容易 受到灰塵等雜物的干擾，且散熱效果不是很明顯。優(yōu)點就在于價格便宜。水冷依靠水泵驅(qū)動水流動，依靠水來運走熱量達到降溫的效果。水冷的缺點是成本較高，不適合一般用戶使用。優(yōu)點在于其散

40、熱的效果相當好，且不會受到灰塵的干擾。眾所周知，水冷需要有液體的循環(huán)往復，根據(jù)循環(huán)液體是否與水冷系統(tǒng)外環(huán)境連通可以分為開放式水冷與封閉式水冷。開放式水冷和外界相連通，對冷卻液體的多少沒有什么限制，并且可以隨時更換冷卻液體，但使用不太方便；封閉式水冷的冷卻液是固定不變的，隨著冷卻液和 LED 進行熱交換，冷卻液的溫度會逐漸升高，因此，必須通過其他方式把熱沉風扇把冷卻液的熱量導走，使用比較方便。Microjet 和 Microchannel 是兩種比較重要的主動制冷方式，這兩種制冷方式最有希望提供強有力的制冷能力，成為下一代主動式熱管理的冷卻工藝。圓形和方形的噴嘴廣泛被使用在 microjet 制

41、冷中，也可以根據(jù)需要修改噴嘴形狀以滿足 特定的需要。研究表明 microjet 的熱轉(zhuǎn)移效果非常好，很適合用來冷卻電子元件。噴嘴 的尺寸范圍從幾毫米到幾百毫米，所以也稱為基于 MEMS 的 microjet 制冷。由于 microjet 陣列制冷能帶走大量的熱量，并且對水泵功率要求不高，引起了人們越來越多的興趣。相對于 microchannel 制冷來說，microjet 制冷能夠產(chǎn)生更加均勻的溫度分布，特別 是熱量呈面狀分布的情況下；Microjet 和 microchannel 的另外一個區(qū)別是，microjet 制冷 不需要高熱導材料，因為 microjet 制冷直接讓制冷劑和待冷卻元件

42、表面接觸，不需要中 間材料。4.2結構設計雖然 microjet 制冷有這么多優(yōu)秀的熱性能39，也存在一些限制。Microjet 制冷用在 封裝結構中的時候，為了避免制冷劑產(chǎn)生短路，不能使用引線鍵合，而應該頓化接觸表 面，或者采用電絕緣制冷劑。我們提供了兩種 microjet 結構設計方案，如圖 17 所示， 第一種方案冷卻液從 LED 底部噴出，與 LED 進行熱交換，第二種方案冷卻液從頂部噴 出，與 LED 進行熱交換。方案一會產(chǎn)生附加的成本和封裝的復雜性，方案二會減少制 冷的效率，絕緣制冷劑的冷卻效率只有普通制冷劑效率的 50-80%。方案一結合了封裝結構和 microjet 制冷技術，

43、基板和芯片在上面，制冷器在下面， 基板下表面是電絕緣的，制冷劑從入口壓入，然后從噴嘴陣列噴出，與基板接觸進行熱 交換，然后從出口流出，從而帶走熱量。該方案的創(chuàng)新點在于：(1)基于底面陣列冷卻的 新穎散熱工藝；(2)封裝基底和噴嘴結構的智能組合，大大減少了熱阻；(3)可以使用于 單相制冷和雙相制冷。和方案二相比，方案一有如下一些優(yōu)點：(1)既不需要頓化基板，也不需要制冷劑具有絕緣性；(2)由于能夠使用和傳統(tǒng)散熱工藝相似的熱沉，這和當前的封裝結構是兼容的； (3)由于制冷劑直接噴到基板上，熱沉工藝所需要的基盤和熱接口材料都可以省去，從而簡化了封裝結構、縮短了熱傳播路徑。圖 17microjet 方

44、案一(a)和方案二(b)4.3 減摩防粘研究不管是 microjet 還是 microchannel，隨著微噴嘴或微流通道的變小，液體流動的阻力變得越來越大，驅(qū)動制冷劑在 microjet 里面流動成了一個問題，那么怎樣才能減小流 動的阻力呢？眾所周知，荷葉“出淤泥而不染”，有著超強的疏水能力。德國生物學家 Barthlott等人用掃描電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)荷花的花瓣表面并不光滑，存在著納米和微米級的雙 微觀結構，即乳突形成的表面微觀結構和蠟晶體形成的納米結構。乳突的直徑為515m ，蠟晶體特征尺度為 20nm500nm。其放大結構如圖 18(a)所示。圖18(a)是荷葉表面的電子掃描圖，圖 1

45、8(b)是用迭代方法構造出的一種多級分 層分形結構，從比較圖18 (a)和圖18(b)可以看出，荷葉表面的微觀結構和分形結構 非常類似，為我們構造具有荷葉表面功能的 MEMS 功能表面提供了一種嶄新的思路。通過分形的方法來模擬荷葉表面的雙微觀結構，可以有效地減少其他物體與該表面的接觸面積，從而減少摩擦力與粘附力。(a)(b)圖18荷葉表面的微觀結構(a) 多級分層分形結構(b)接觸角是衡量物體表面疏水性的基本參數(shù)，表面疏水性越好，減摩放粘效果越理想。光滑且均勻的固體表面于液滴的接觸角由Yonugs方這里 是粗糙表面的表觀接觸角， 是與粗糙表面具有同樣化學性質(zhì)光滑表面的本 征接觸角， 是粗糙因子

46、，總大于1。從式19可以看出，粗糙結構使得疏水表面( 90)更為疏水，親水表面( 90)更為親水。本文采用二維多級分層分形結構建模，可用分形結構 (L / l )D 1 來計算粗糙因子。其 中 L 表示分形結構的上限尺寸，l 表示分形結構的下限尺寸，D 表示分形維數(shù)，通過合理設計，可使多級分層分形結構的維數(shù)大于 1，并可接近 2。將粗糙因子代入 Wenzel 模多級分層曲線的構造比較復雜，需要采用遞歸程序設計來構造。采用逐步構造法 來構造多層次結構，為了敘述方便，把每個矩形塊都編上號，Bi （i=1,2,3）表示第 i 次迭代過程中產(chǎn)生矩形塊。各矩形塊的長度和高度分別用 li 和 hi 表示。

47、每一步迭代，都是在前面已有結構的基礎上添加一些矩形塊來構造下一級結構，下一級結構的輪廓在某種程度上說是前面一級結構的重復。因此，每一步迭代的結構和總體結構都是相似的。 在這種結構里面，一些點有時候會暫時性的包含在結構里面，經(jīng)過一步或幾步迭代后這 些點將不包含在總體結構里。圖19 多級分層曲線模型根據(jù)多級分層曲線所算出的表面形貌參數(shù)。其中 alpha 和 beta 分表示多級分層曲線的參數(shù)和，通過改變迭代次數(shù)和 beta 值可以改變表面粗糙度。從圖中可以看出，迭代次數(shù)越大、alpha 值越大、beta 值越大，表面越粗糙，表面接觸角越大。由此可見，我們可以采用多級分層曲線模型來設計 microj

48、et 或 microchannel 內(nèi)表面的結構，實現(xiàn) MEMS 仿生功能表面，達到減摩防粘、減少流動阻力的要求4.4 熱模擬結果為了研究如何使冷卻模塊更好把 LED 多芯片陣列產(chǎn)生的熱量帶走，我們用 CFD 流 體軟件進行了一系列模擬分析，主要有冷卻模塊內(nèi)部的 pins 結構、流體流速對芯片最高 溫度、芯片之間溫度差別、整個模塊在允許工作溫度下能耗散的總熱功率以及模塊表面 溫度分布等方面的影響。(1) 芯片溫度分布與冷卻模塊內(nèi)部結構關系。冷卻模塊內(nèi)部沒有 pins 時流體的流動方向以及各個芯片最高溫度?？梢钥闯隽黧w從中間入口流入后，由于內(nèi)部沒有其他阻擋，大部分水流直接流向出口，只有少部分水流

49、由于在出口的回流向模塊側(cè)面流動，因此陣列兩側(cè)的芯片溫度相對中心的芯片要高?？闯鰞蓚?cè)芯片的最高溫度為 52.4oC，最低溫度約為 46oC。我們期望冷卻模塊內(nèi)部 pins array 的引入能加強傳熱能力并增加與內(nèi)部流體之間的 傳熱系數(shù)。內(nèi)部 pins 陣列的引入首先考慮其在冷卻模塊內(nèi)部的位置，從中我們可以看到陣列發(fā)光模塊的熱點在芯片的正下方，因此我們將 pins array 直接埋在芯片正下方的位置，每個pin 的尺寸為芯片的一半冷卻模塊內(nèi)部有 pins array 時流體的流動情況以及各個芯片的最高溫度。從中可以看出水流進入模塊后由于受到 pins 的阻擋，有一部分向兩側(cè)分流。陣列中溫度最高

50、的芯片為 44.38oC，最低的為 39.32 oC。比沒有內(nèi)部 pins 的冷卻情 況要低將近 8 oC。從圖21 溫度場分布情況可以看出熱量的流動情況：熱量從芯片底部產(chǎn)生，由金 屬層和介質(zhì)層傳導到具有微流通道的冷卻模塊上，接著傳導到模塊的內(nèi)部 pins 上，然后通過 pins 與內(nèi)部流動冷卻液的對流熱交換方式，由流動的冷卻液把熱量帶走。(2) 冷卻模塊上表面溫度分布與芯片耗散功率的關系沿著水流動的方向，冷卻模塊上表面中心線溫度的分布情況，從中可以看出在芯片熱區(qū)內(nèi)，沿著水流動的方向，溫度的差別很大，上游以及下游的芯片溫度明顯小于中心的溫度，并且上游的芯片溫度略微低于下游的芯片溫度。特別是當芯

51、片的負載熱功率增加到10W/芯片時，這種差別更明顯。在垂直水流的方向上，冷卻模塊的溫度差別很小。造成這種現(xiàn)象的原因主要是：第一，冷卻模開，而中心位置的芯片受其他芯片產(chǎn)生的熱場影響比較大，不利于散熱，因此溫度較高； 第二，下游的流體由于經(jīng)過了預熱，因此傳熱性能要稍微差一些。 (3)、陣列模塊總耗散功率、芯片最高溫度與流體流速之間的關系圖20為在 1m/s 和 2m/s 流速條件下模擬得到總耗散功率與芯片最高溫度的關系， 兩者之間基本成線性關系，即芯片功率的增加，芯片溫度也隨之增加。從該圖中可以看 出，當流速為 1m/s，總耗散功率達到 300W，即每個芯片驅(qū)動到 12W 時，芯片的最高溫度仍然在

52、 80oC 以下圖20 不同流速下系統(tǒng)總耗散功率與芯片最高溫度的關系曲線LED是一類可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和輻射能的發(fā)光器件，具有工作電壓低，耗 電量小，發(fā)光效率高，發(fā)光響應時間極短，光色純，結構牢固，抗沖擊，耐振動，性能 穩(wěn)定可靠，重量輕，體積小，成本低等一系列特性，發(fā)展突飛猛進，現(xiàn)已能批量生產(chǎn)整 個可見光譜段各種顏色的高亮度、高性能產(chǎn)品。專業(yè)人士預測白光 LED 光源在未來 1020 年內(nèi)將逐步取代白熾燈、熒光燈和節(jié)能燈，應用于家用普通照明領域，并開始應用于汽車前照大燈，這是一項破壞性的技術創(chuàng)新?？梢哉f，LED 光源的發(fā)展將會沖擊國家的經(jīng)濟、全球環(huán)境及技術的發(fā)展。本文先介紹了 LED 發(fā)展的整體趨勢及其封裝結構，然后針對主要的熱問題展開了 研究，設計出 microjet 冷卻系統(tǒng)，并做了一些實驗來測試效果。主要工作包括以下幾個 方面：1.研究了目前國際白光HB-LED封裝主流技術，提出了自己的封裝設計方案，并把 倒裝焊技術和引線鍵合兩種芯片電氣連接技術相結合，研究了白光HB-LED整個封裝工 藝過程。2.介紹了LED常用散熱方法，包括風冷與熱沉散熱、熱管散熱和熱電制冷技術。分析了微噴射流冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢，將微噴冷卻技術用于LED陣列，通過研究微噴冷卻系統(tǒng) 的結構，設計微噴冷卻系統(tǒng)，進行微噴水冷系統(tǒng)的熱模擬與分析，溫度分布比