LED制造技術與應用(十一)

LED制造技術與應用(十一)與LED應用有關的技術問題介紹2012-5-3白光LED的制作2-1制作白光LED的三種主要方法

2-2大功率白光LED的制作2-1制作白光LED的三種主要方法方法一、藍光LED+YAG熒光粉日亞化學(Nichia)提出以460nm波長的InGaN藍光晶粒涂上一層YAG（yttriumaluminumgarnet，釔鋁石榴石）熒光物質(zhì)，利用藍光LED照射此熒光物質(zhì)以產(chǎn)生與藍光互補的555nm波長黃光，再利用透鏡原理將互補的黃光、藍光予以混合，便可得出肉眼所需的白光。這也是目前主要的商品化作法。白光LED開發(fā)基礎在于藍光技術，目前仍以日亞化學領先，擁有眾多專利權。優(yōu)點：效率高、制備簡單、溫度穩(wěn)定性較好、具有實用性。缺點：是熒光粉與膠混合后，均勻性較難控制。由于熒光粉易沉淀，導致布膠不均勻、布膠量不好控制，因而造成出光均勻性差、色調(diào)一致性不好、色溫偏高且隨角度變化，顯色性不夠理想。涂覆YAG黃色熒光粉優(yōu)缺點方法二、紫外LED+RGB熒光粉

1997年飛利浦提出利用紫外光激發(fā)RGB熒光粉產(chǎn)生三色光來混合形成白光的發(fā)明專利，但該專利未涉及具體熒光粉的組成。優(yōu)點：顯色性好、光色均勻，無偏色，制備簡單。缺點：目前，LED芯片出光效率較低，有紫外光泄漏問題；而且用于封裝的環(huán)氧樹脂在紫外光照射下易分解老化，從而使透光率下降；熒光粉溫度穩(wěn)定性問題有待解決。方法三、三基色LED合成白光白色是紅綠藍三色按亮度比例混合而成，當光線中綠色的亮度69%，紅色的亮度為21％，藍色的亮度為10％時，混色后人眼感覺到的是純白色。使用InGaAlP(紅)，GaN(藍)，GaN(綠)為材質(zhì)的三顆LED，分別控制通過LED電流發(fā)出紅，藍及綠光，因為這三顆晶粒是放在同一個燈泡中，透鏡可將發(fā)出的光加以混合而產(chǎn)生白光。光強的比例通常為3：6：1。優(yōu)點：效率高、色溫可控、顯色性較好。缺點：三基色光衰不同導致色溫不穩(wěn)定，當點亮發(fā)熱后，三基色光的主波長漂移也不同；控制電路較復雜、成本較高；溫度的變化會引起色溫偏差。三基色多芯片組白光LED的優(yōu)缺點。W級功率白光LED的光、電、熱通道電學通道：電流比較大，一般是幾十毫安到幾百毫安以上，所以這種電流通道要考慮好。光學通道：藍光產(chǎn)生、黃光產(chǎn)生、剩余的藍光與產(chǎn)生的黃光比例、藍光黃光的重疊等。熱學通道：散熱問題(金線直徑，耐沖擊，熱膨脹)(硅凝膠/硅樹脂，折射率1.5)(固晶膠，共晶焊，接觸面積)大功率白光LED設計中的主要問題：2-2大功率白光LED的制作與LED應用有關的技術問題介紹一.LED的驅(qū)動方式二.LED的散熱技術三.

LED的光學設計四.LED的防靜電控制與LED應用有關的技術問題介紹一.LED的驅(qū)動方式二.LED的散熱技術三.

LED的光學設計四.LED的防靜電控制1.LED的驅(qū)動概念由于LED是特性敏感的半導體器件，不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220V的交流市電。因而在應用過程中需要對其進行穩(wěn)定工作狀態(tài)和保護，從而產(chǎn)生了驅(qū)動的概念。

LED實際上是一個2～3伏的低電壓驅(qū)動的單向?qū)щ娖骷?，必須要設計復雜的變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源適配器。

LED驅(qū)動應具有直流控制、高效率、PWM調(diào)光、過壓保護、負載斷開、小型尺寸以及簡便易用等特點。給LED供電的電源必須注意以下事項:（1）LED是單向?qū)щ娖骷捎谶@個特點，就要用直流電流或者單向脈沖電流給LED供電。（2）LED是一個具有PN結結構的半導體期間，具有勢壘電勢，這就形成了導通閾值電壓，加在LED上的電壓值超過這個閾值電壓時LED才會充分導通。不同顏色的LED閥值電壓不同，黃綠紅1.4V就可以驅(qū)動，像藍，紫，白，橙的驅(qū)動電壓是2.5V以上。（3）LED的I-V特性是非線性的，流過LED的電流在數(shù)值上等于供電電源的電動勢減去LED的勢壘電勢后再除以回路的總電阻(電源內(nèi)阻、引線電阻和LED體電阻之和)。因此，流過LED的電流和加在LED兩端的電壓不成正比。LED伏安特性曲線（4）LED的PN結的溫度系數(shù)為負，溫度升高時LED的勢壘電勢降低。由于這個特點，所以LED不能直接用電壓源供電，必須采用限流措施，否則隨著LED工作時溫度的升高，電流會越來越大，以至損壞LED。（5）流過LED的電流和LED的光通量的比值也是非線性的。LED的光通量隨著流過LED的電流增加而增加，但卻不成正比，越到后來光通量增加得越少。因此，應該使LED在一個發(fā)光效率比較高的電流值下工作。2.LED的驅(qū)動方式LED的驅(qū)動方式一般使用恒定電流源和恒定電壓源進行控制。圖2.1

LED的恒流驅(qū)動(串聯(lián))圖2.2

LED的恒流驅(qū)動(并聯(lián))2-1

LED的恒定電流源驅(qū)動：√分選，測試2-2

LED的恒定電壓源驅(qū)動：圖2.1

LED的恒壓驅(qū)動(串聯(lián))圖2.2

LED的恒壓驅(qū)動(并聯(lián))每種驅(qū)動方式均有優(yōu)缺點，根據(jù)LED產(chǎn)品的要求、應用場合，合理選用LED驅(qū)動方式，精確設計驅(qū)動電源成為關鍵。一般的整流電路的輸出電壓隨著電網(wǎng)電壓的波動也會變化，由此可知，采用恒壓源驅(qū)動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的特性。因此，LED驅(qū)動通常采用恒流源驅(qū)動。理想的LED驅(qū)動方式是采用恒壓、恒流方式，但驅(qū)動器的成本會增加。2-3-1鎮(zhèn)流電阻方案這是一種極其簡單，自LED面世以來至今還一直在用的經(jīng)典電路。LED工作電流I按下式計算：

I與鎮(zhèn)流電阻R成反比；當電源電壓U上升時，R能限制I的過量增長，使I不超出LED的允許范圍。2-3典型LED驅(qū)動電路(實現(xiàn)恒流，恒壓的電路)此電路的優(yōu)點是簡單，成本低；缺點是電流穩(wěn)定度不高；電阻發(fā)熱消耗功率，導致用電效率低，僅適用于小功率LED范圍。鎮(zhèn)流電阻R的計算公式是：按此公式計算出的R值僅滿足了一個條件：工作電流I。而對驅(qū)動電路另兩個重要的性能指標：電流穩(wěn)定度和用電效率，則全然沒有顧及。因此用它設計出的電路，性能沒有保證。2-3-2鎮(zhèn)流電容(降壓)電路電容降壓電路是一種常見的小電流電路，由于其具有體積小、成本低、電流相對恒定等優(yōu)點，也常應用于LED驅(qū)動電路中。此方案的優(yōu)點是簡單，成本低，供電方便；缺點是電流穩(wěn)定度不高，效率也不高。僅適用于小功率LED范圍。當LED的數(shù)量較多，串聯(lián)后LED支路電壓較高的場合更為適用。上面已經(jīng)提到電阻、電容鎮(zhèn)流電路的缺點是電流穩(wěn)定度低（△I/I達±20～50％），用電效率也低（約50～70％），僅適用于小功率LED燈。為滿足中、大功率LED燈的供電需要，利用電子技術常見的電流負反饋原理，設計出許多恒流驅(qū)動電路。像直流恒壓電源一樣，按其調(diào)整管是工作在線性，還是開關狀態(tài)，恒流驅(qū)動電路也分成兩類：線性恒流驅(qū)動電路和開關恒流驅(qū)動電路。右圖是最簡單的兩端線性恒流驅(qū)動電路。它借用三端集成穩(wěn)壓器LM337組成恒流電路，外圍僅用兩個元件：電流取樣電阻R和抗干擾消振電容C。2-3-3線性恒流驅(qū)動電路2-3-4、開關恒流驅(qū)動電路A．直流低壓開關恒流驅(qū)動電路a.由分立元件構成的開關恒流驅(qū)動電路b.由IC構成的開關恒流驅(qū)動電路B．交流220V開關恒流驅(qū)動電路與LED應用有關的技術問題介紹

一.LED的驅(qū)動方式二.

LED的散熱技術三.

LED的光學設計四.

LED的防靜電控制散熱問題是當前半導體照明技術發(fā)展的技術瓶頸光電轉(zhuǎn)換效率:?白熾燈～3%?熒光燈～15%?LED燈~20%-40%(約60%~80%能量轉(zhuǎn)化為熱量)在結溫60~80度時，Xlamp熱轉(zhuǎn)換效率約70~80%1、

熱量的來源-結溫的產(chǎn)生LED的光效目前只有100lm/W，其電光轉(zhuǎn)換效率大約只有20~40%左右。也就是說大約70%的電能都變成了熱能。具體來說，LED結溫的產(chǎn)生是由于兩個因素所引起的。1．內(nèi)部量子效率不高，也就是在電子和空穴復合時，并不能100％都產(chǎn)生光子，通常稱為由“電流泄漏”而使PN區(qū)載流子的復合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率，也就是轉(zhuǎn)化為熱能，但這部分不占主要成分，因為現(xiàn)在內(nèi)部光子效率已經(jīng)接近90％。2．內(nèi)部產(chǎn)生的光子無法全部射出到芯片外部而最后轉(zhuǎn)化為熱量，這部分是主要的，因為目前這種稱為外部量子效率只有30％左右，大部分都轉(zhuǎn)化為熱量了。Cree公司發(fā)布的光衰與結溫的關系圖照阿雷紐斯法則溫度每降低10℃壽命會延長2倍。2、結溫的影響(危害)：假如以結溫25度時的發(fā)光為100%，那么結溫上升至60度時，其發(fā)光量就只有90%；結溫為100度時就下降到80%；140度就只有70%?？梢姼纳粕幔刂平Y溫是十分重要的事。

Cree公司XLamp7090XR-E的發(fā)光量和結溫的關系圖溫度上升----主波長受影響：藍光向短波長漂移,其它顏色向長波長漂移(紅光)溫度上升----相關色溫(CCT)：白光的相關色溫升高,其它色溫將下降;溫度上升----正向電壓：正向電壓下降;溫度上升----反向電流增大;溫度上升----熱應力增大;溫度上升----如是帶熒光粉,環(huán)氧樹脂的led,溫度上升將導致這些材料發(fā)生劣化;上述也只是部分溫度過高對LED部分性能產(chǎn)生影響,實際受影響的遠遠不止這些,嚴重的將導致LED燈失效;溫度上升----元器件的使用壽命減少;

溫度上升----發(fā)光效率下降;減少熱量產(chǎn)生：LED產(chǎn)生熱量的多少取決于內(nèi)量子效應。在氮化鎵材料的生長過程中，應改進材料結構，優(yōu)化生長參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的外延片，從而提高器件內(nèi)量子效率，提高芯片的發(fā)光效率，從根本上減少熱量的產(chǎn)生;

—上中游產(chǎn)業(yè)完成3-1降低LED溫度的兩種方式：(2)促進熱量發(fā)散：系統(tǒng)集成，改進LED散熱結構，加快內(nèi)部熱量的傳導和散發(fā)，提高換熱效率，以有效地降低芯片溫度。

—燈具散熱設計的主要工作3、LED的熱管理(ThermalManagement)：熱傳導

熱對流/熱輻射二次散熱設計研究方向LED模組散熱器3-2熱量傳遞的三種基本方式：3-2-1熱傳導(spreading)3-2-2熱對流(Convection)主動對流和強制對流的比較：

PassivePassivePassivePassiveActiveActive3-2-2熱輻射(radiation)4、LED散熱技術介紹LED的熱流模型所以從芯片產(chǎn)生的熱量到空氣的總熱阻就應該是：Rja=Rj1

+

(Rj2

+

Rj3

+

Rj4)

+

Rj5

+

Rj6

+

Rj7

Rj1：芯片基板的熱阻Rj2：焊料的熱阻Rj6：鋁基板PCB的熱阻Rj4：導熱硅膠的熱阻Rj7：散熱器熱阻Rj5：熱沉的熱阻Rj3：焊料的熱阻4-1晶片層級散熱技術-襯底的選擇4-2封裝層級散熱技術-熱沉的選擇4-3

PCB層級散熱技術4-4界面散熱技術4-5系統(tǒng)模組層級散熱技術(散熱片設計)熱傳導熱對流熱輻射4-1晶片層級散熱技術藍寶石和碳化硅襯底的LED結構圖4-1-1襯底的選擇-SiC

4-2封裝層級散熱技術當LED功率往更高效提升時，整個LED的散熱瓶頸將出現(xiàn)在LED熱沉(晶?；?，如何將LED晶粒所產(chǎn)生的熱能有效的從晶粒傳導至系統(tǒng)電路板，是該層級散熱技術的主要目的。4-2-1封裝方式對熱阻的影響Tj1：采用一般銀導熱膠、鋁金屬熱沉；Tj2

：采用新導熱膠、銅金屬熱沉。

結溫與芯片尺寸的關系2001年，LumiLeds

公司研制出了AlGalnN

功率型倒裝芯片結構。LED芯片通過凸點倒裝連接到硅基上。這樣熱量不必經(jīng)由藍寶石襯底，而是直接傳到熱導率更高的硅或陶瓷襯底，再傳到金屬底座，由于其有源發(fā)熱區(qū)更接近散熱體，可降低內(nèi)部熱沉熱阻。4-2-2倒裝芯片結構-Lumileds但是，熱阻與熱沉的厚度成正比，受硅片機械強度與導熱性能所限，很難通過減薄硅片來進一步降低內(nèi)部熱沉的熱阻，制約了其傳熱性能的進一步提高。各種合金的導熱系數(shù)表4-2-3熱沉材料的選擇-Cu/Al

金屬復合材料基板銅基板Al基板

Lumileds

公司2006年推出的LuxeonK2功率型LED采用了一個銅熱沉來強化散熱，達到很好的散熱效果。4-2-4熱沉材料的選擇-陶瓷由陶瓷燒結而成得LED基板，有散熱性佳、耐高溫、耐潮濕等優(yōu)點。降低LED晶粒陶瓷散熱基板的熱阻為目前提升LED發(fā)光效率最主要的課題之一，若依其線路制作方法可區(qū)分為厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、以及薄膜陶瓷基板三種，分別說明如下：厚膜陶瓷基板乃采用網(wǎng)印技術生產(chǎn)，藉由刮刀將材料印制于基板上，經(jīng)過干燥、燒結、雷射等步驟而成，目前臺灣厚膜陶瓷基板主要制造商為禾伸堂、九豪等公司。一般而言，網(wǎng)印方式制作的線路因為網(wǎng)版張網(wǎng)問題，容易產(chǎn)生線路粗糙、對位不精準的現(xiàn)象。因此，對于未來尺寸要求越來越小，線路越來越精細的高功率LED產(chǎn)品，亦或是要求對位準確的共晶或覆晶制程生產(chǎn)的LED產(chǎn)品而言，厚膜陶瓷基板的精確度已逐漸不敷使用。厚膜陶瓷基板LaminaCeramics公司研制了低溫共燒陶瓷金屬基板。低溫共燒多層陶瓷技術，以陶瓷作為基板材料，將線路利用網(wǎng)印方式印刷于基板上，再整合多層的陶瓷基板，最后透過低溫燒結而成，采用共晶焊技術將基板與大功率LED芯片直接焊接在一起即刻。而其臺灣主要制造商有璟德電子、鋐鑫等公司。低溫共燒多層陶瓷基板之金屬線路層亦是利用網(wǎng)印制程制成，同樣有可能因張網(wǎng)問題造成對位誤差，此外，多層陶瓷疊壓燒結后，還會考量其收縮比例的問題。因此，若將低溫共燒多層陶瓷使用于要求線路對位精準的共晶/覆晶LED產(chǎn)品，將更顯嚴苛。低溫共燒多層陶瓷為了改善厚膜制程張網(wǎng)問題，以及多層疊壓燒結后收縮比例問題，近來發(fā)展出薄膜陶瓷基板作為LED晶粒的散熱基板。薄膜散熱基板乃運用濺鍍、電/電化學沉積、以及黃光微影制程制作而成，具備：(1)低溫制程(300℃以下)，避免了高溫材料破壞或尺寸變異的可能性；(2)使用黃光微影制程，讓基板上的線路更加精確；(3)金屬線路不易脫落…等特點，因此薄膜陶瓷基板適用于高功率、小尺寸、高亮度的LED，以及要求對位精確性高的共晶/覆晶封裝制程。而目前臺灣主要以璦司柏電子與同欣電等公司，具備了專業(yè)薄膜陶瓷基板生產(chǎn)能力。薄膜陶瓷基板德國Curmilk公司研制的高導熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板(AlN或)和導電層(Cu)在高溫高壓下燒結而成，沒有使用黏結劑，因此導熱性能好、強度高、絕緣性強，如圖所示。高導熱性覆銅陶瓷板采用類鉆碳(DiamondLikeCarbon，DLC)的鍍膜可以大大改善LED的散熱最近臺灣的鉆石科技開發(fā)出了鉆石島外延片(DiamondIslandsWafer，DIW)做為生產(chǎn)超級LED的基材。這種LED的熱阻可以低至<5°C/W。用它制成的超級LED可發(fā)出極強的紫外光，其強度不因高溫而降低，反而會更亮。4-2-5熱沉材料的選擇-DLC用DLC鍍膜和鋁結合可以比其它結構的LED有更好的散熱特性4-3

PCB板級散熱技術系統(tǒng)電路板主要是作為LED散熱系統(tǒng)中，最后將熱能導至散熱鰭片、外殼或大氣中的材料?，F(xiàn)在各大LED產(chǎn)商一般采用的金屬線路板(MCPCB)結構利用具有極佳熱傳導性質(zhì)的鋁等金屬，將芯片封裝到覆有幾毫米厚銅電極的PCB板上，或者將芯片封裝在有金屬夾層的PCB板上，然后再封裝到散熱片上來解決散熱問題。

鋁基板PCB由電路層(銅箔層)、導熱絕緣層和金屬基層等組成。具有絕緣層薄、熱阻小、無磁性、熱容大、散熱好的特點。

1、電路層要求具有很大的載流能力，因此要使用較厚的銅箔作電路，厚度約35μm~280μm;

2、導熱絕緣層是PCB鋁基板核心技術所在，它是由特種陶瓷填充的特殊聚合物構成，具有熱阻小、粘彈性能優(yōu)良、抗老化、可承受機械及熱應力等特點。該系列的PCB鋁基板具有優(yōu)良的導熱性能和高強度的電氣絕緣性能。其工藝要求：鍍金、噴錫、OPS抗氧化、沉金、無鉛ROHS制程等。

3、金屬基層：鋁。4-3-1

Cree熱電分離LEDOSRAM公司推出的Golden

Dragon系列LED系統(tǒng)，其結構特點是熱沉與金屬線路板直接接觸，具有很好的散熱性能;其芯片用紅外或回流焊焊接在銅合金熱擴散層上，熱擴散層再焊接在鋁芯的PCB板上。4-3-2

Golden

Dragon

系列LEDLaminaCeramics開發(fā)的金屬低溫共燒陶瓷(LTCC-M)的多層印刷電路板制造，將多層陶瓷通過低溫燒結在銅鉬銅(CuMoCu)金屬上，共燒收縮率縮小到了大約0.1%，遠遠低于標準LTCC和HTCC工藝的12.7%～15%。鉬銅復合材料具有與芯片相近的熱膨脹系數(shù)，而陶瓷層具有很高的介電性，LED芯片可以直接安裝到金屬板層上。優(yōu)良的導熱性能使LaminaCeramics可以高密度的排列多個LED發(fā)光點，從而在小面積內(nèi)得到異常高的光強。4-3-3

Lamina

Ceramics

系列LED4-4界面散熱所謂界面散熱就是將LED的熱量導出來到散熱結構上的過程。通常采用導熱膏，焊錫，導熱絕緣墊等熱導率比較高的粘貼材料，同時減小粘接材料層的厚度，設計中盡量減少熱阻。LED的熱流模型所以從芯片產(chǎn)生的熱量到空氣的總熱阻就應該是：Rja=Rj1

+

(Rj2

+

Rj3

+

Rj4)

+

Rj5

+

Rj6

+

Rj7

Rj1：芯片基板的熱阻Rj2：焊料的熱阻Rj6：鋁基板PCB的熱阻Rj4：導熱硅膠的熱阻Rj7：散熱器熱阻Rj5：熱沉的熱阻Rj3：導熱硅膠的熱阻

4-4-1

共晶焊連接(芯片-熱沉)

4-4-2導熱膠連接(與散熱器連接)熱管導熱原理回路熱管

4-4-3導熱管連接利用銅的良好導熱性，利用銅管給50瓦LED散熱4-5系統(tǒng)模組層級散熱技術(散熱器設計)目前常用的散熱技術有風冷、水冷、微管道散熱、熱管技術等。(a)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。1、

采用導熱性能好的材料作散熱器：常用的散熱器材主要是鋁和銅。2、

增大散熱器的散熱面積：散熱面積越大，其熱容量越大。為提高換熱系數(shù)，可采用波紋狀肋面制造紊流。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。(b)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。

4-5-1常用的散熱器技術用導熱性能好的材料

散熱器的整個有效面積要考慮的因素

散熱片之間的距離

散熱片的長度

散熱片的厚度散熱片的擺放位置

用放熱系數(shù)較大的表面處理

為了保證模組和散熱器之間的熱傳導，要用導熱介質(zhì)。。。。。

4-5-2散熱器設計需要考慮的因素需要考慮的因素(1)用導熱性能好的材料

LED散熱選材原則:①導熱性能好——相對其它固體材料，金屬具有更好的熱傳導能力；

②易于加工——延展性好，高溫相對穩(wěn)定，可采用各種加工工藝；

③易獲取——金屬但供貨量大，不需特殊工序，價格也相對低廉；鋁的導熱系數(shù)較高，加工性能好，表面處理技術成熟且成本低廉，現(xiàn)階段主要通過鋁制散熱器進行散熱。鋁制散熱器表面處理技術成熟，可通過陽極氧化來提高表面輻射率，增加輻射熱交換。如上圖，在LED背面鋁基板加散熱U型板或者類似可以直接傳導散熱的導熱材料，這種方法適用于10瓦以下的散熱設計，但這種方式的散熱部件必須有足夠小的熱阻和足夠大的散熱面積。(2)散熱器的整個有效面積要考慮的因素散熱器采用鰭片的形狀是為了加大散熱面積。以利于輻射散熱和對流散熱。散熱器的最重要指標就是它的散熱面積A，但是散熱器的不同部位的散熱效果是不同的。在根部的散熱效果就差，而在頂部的散熱效果就好。所以散熱器有一個有效散熱面積。它通常是實際面積的70%左右。從經(jīng)驗得出，一般要散1W功率的熱量大約需要50-60平方厘米的有效散熱器面積。

上圖是臺灣產(chǎn)的一個樣燈，是40瓦LED的散熱設計，利用增加和空氣的接觸面積來給LED散熱，保證了LED的光效和壽命。為了加大散熱面積，通常會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會越來越小。下圖表明增加高度對于降低結溫的影響的一個例子。由圖中可以看出，高度增加到40mm以后，結溫的降低就很慢了。LED結溫隨散熱器的高度增加而降低(3)散熱片的厚度加大長度也是加大面積的一個方法。但是并不是長度越長越好。由圖可知長度增加到一定程度后，結溫不但不再降低，反而會升高。這是因為空氣在沿長度方向的流動受到阻礙所致(主要對于垂直放置的鰭片為如此)。結溫和長度的關系(4)散熱片的長度(6)用放熱系數(shù)較大的表面處理，提高發(fā)射率。

(鋁一般用噴漆或者陽極)輻射散熱能力提升主要通過提高散熱器表面發(fā)射率來實現(xiàn)，常用方法是表面做涂漆，噴沙提高粗糙度，陽極氧化等措施。輻射對散熱在自然散熱條件下有一定影響，強迫空冷基本沒有效果，并且一般散熱器發(fā)射率的差異不大，在產(chǎn)品中一般不作重點考慮。(5)散熱片的擺放位置所以對于散熱器來說，除了加大面積以外，如何加速空氣的對流是很重要的事。為了在各種風向情況下都能有很好的對流，最好采用針狀鰭片散熱器。但這也減小了其等效散熱面積很大的百分比。針狀散熱器珠海南科首次把針狀散熱器應用至LED路燈中，據(jù)說這可以使LED的結溫降低15度以上，提高了LED的壽命。(7)增加對流(8)采用強制風冷散熱15WLED中LED結溫和風速的關系目前幾乎絕大多數(shù)的LED燈具都是采用自然空氣對流來散熱的。然而，對流的散熱效果是和空氣的流速是有密切關系的。最近臺灣Sunon公司推出全球最小、最薄、耗電量最低的“毫米科技風扇與鼓風扇MightyMiniFan&Blower。并用于各種功率的LED燈具。

4-5-3散熱器制程(1)考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉,影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm,如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距≥1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。

(2)自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱齒表面增加波紋不會

對自然對流效果產(chǎn)生太大的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。

(3)采用撓動設計方法，破壞介質(zhì)層流層，使散熱效果提高。用旋轉(zhuǎn)

太陽花、撓動空氣旋轉(zhuǎn)裝置、煙囪的抽吸原理都是好方法。

(4)自然對流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強化輻射換熱。(5)由于自然對流達到熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應足夠，以抗擊瞬時熱負荷的沖擊，建議大于5mm以上。

4-5-4自然散熱器設計方法一個好的散熱設計應包括以下幾點：(1)較好的LED光源（熱阻低，光效好）(2)良好的熱傳導設計（一體化，均熱性，無瓶頸）(3)優(yōu)異的散熱器結構設計（對流，輻射）(4)較好的散熱器表面處理方式（增強輻射）(5)良好的系統(tǒng)結構（氣流導向，位置方式）總結SeeYouNextTime!結溫（JunctionTemperature）結溫：是處于電子設備中實際半導體芯片的最高溫度。它通常高于外殼溫度和器件表面溫度。結溫可以衡量從半導體晶圓到封裝器件外殼間的散熱所需時間以及熱阻。LED結溫：當電流流過LED元件時，PN結的溫度將上升，嚴格意義上說，就把PN結區(qū)的溫度定義為LED的結溫。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。1、結溫的定義：

a、元件不良的電極結構，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，當電流流過PN結時，同時也會流過這些電阻，從而產(chǎn)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，元件的注人效率不會達到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會產(chǎn)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(zhì)或缺陷相結合，最終也會變成熱。2、LED結溫產(chǎn)生的原因是什么？c、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(zhuǎn)換成光輻射能，然而由于LED芯片材料與周圍介質(zhì)相比，具有大得多的折射系數(shù)，致使芯片內(nèi)部產(chǎn)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(zhì)介面產(chǎn)生全反射，返回芯片內(nèi)部并通過多次內(nèi)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關鍵條件。散熱能力強時，結溫下降，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(chǎn)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。2.利用PWM控制的白光LED基本驅(qū)動電路由開關變換器構成的LED基本驅(qū)動電路如下圖所示電路采用PWM信號控制白光LED的亮度。在圖中，如果對IC的EN端子施加PWM信號，白光LED會以某種速度作ON/OFF模式運行，進而實現(xiàn)LED亮度的控制。此電路中Tr1的輸出信號需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。LED的平均電流I(avg)可用下式計算:綜上所述，未來LED系統(tǒng)散熱可以從以下幾個方面進行研究來提高大功率LED的散熱性能:

(2)選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MCPCB)、陶瓷、DBC、復合金屬基板等導熱性能好的襯底，以加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。通過優(yōu)化MCPCB板的熱設計、或?qū)⑻沾芍苯咏壎ㄔ诮饘倩迳闲纬山饘倩蜏責Y陶瓷(LTCC—M)基板，可獲得熱導性能好、熱膨脹系數(shù)小的襯底;

(3)為了使襯底上的熱量更迅速地擴散到周圍環(huán)境，目前通常選用鋁、銅等導熱性能好的金屬材料作為散熱器，再加裝風扇和回路熱管等強制制冷。同時還可以考慮其他一些有效的新型冷卻方式;

(4)對于大功率LED器件而言，其總熱阻是PN結到外界環(huán)境熱路上幾個熱沉的熱阻之和，其中包括LED本身的內(nèi)部熱沉熱阻、內(nèi)部熱沉到PCB板之間的導熱膠的熱阻、PCB板與外部熱沉之間的導熱膠的熱阻、外部熱沉的熱阻等，傳熱回路中的每一個熱沉都會對傳熱造成一定的阻礙。因此，減少內(nèi)部熱沉數(shù)量，并采用薄膜工藝將必不可少的接口電極熱沉、絕緣層直接制作在金屬散熱器上，能夠大幅度降低總熱阻。3-３

加工工藝

選用的材料不一樣,相應的制程也有所去別;下面以選用鋁材為例:1．鋁擠壓技術(Extruded)

鋁擠壓技術簡單的說就是將鋁錠高溫加熱至約

520~540℃，在高壓下讓鋁液流經(jīng)具有溝槽的擠型模具，作出散熱片初胚，然再對散熱片初胚進行裁剪、剖溝等處理后就做成了我們常見到的散熱片。鋁擠壓技術較易實現(xiàn)，且設備成本相對較低，也使其在前些年的低端市場得到廣泛的應用。一般常用的鋁擠型材料為

AA6063，其具有良好熱傳導率(約160~180W/m.K)與加工性。不過由于受到本身材質(zhì)的限制散熱鰭片的厚度和長度之比不能超過1：18，所以在有限的空間內(nèi)很難提高散熱面積，故鋁擠散熱片散熱效果比較差；注：鋁擠在做PAR燈和其它燈時往往要在加工;工藝一般是:鋁擠──裁切──車銷──清洗──陽極(或它表面處理

)缺點:后加工較麻煩,特別是車銷,因燈是圓的,所以在加工質(zhì)量較難控制;優(yōu)點:模具簡單;一個鋁擠模可以經(jīng)后加工出多款產(chǎn)品;鋁壓鑄技術通過將鋁錠（純度92%左右）和合金材料熔解成液態(tài)后，填充入金屬模型內(nèi)，利用壓鑄機直接壓鑄成型，制成散熱片，采用壓注法可以將鰭片做成多種立體形狀，散熱片可依需求作成復雜形狀，亦可配合風扇及氣流方向作出具有導流效果的散熱片，形狀可設計成像玩具那樣，造型各異，方便各種方向連接，另外，它硬度強度較高，同時可以與鋅混合成鋅鋁合金。

且能做出薄且密的鰭片來增加散熱面積，因工藝簡單而被廣泛采用。一般常用的壓鑄型鋁合金為ADC12，由于壓鑄成型性良好，適用于做薄鑄件，但因熱傳導率較差(約96W/m.K)，現(xiàn)在國內(nèi)多以AA1070鋁料來做為壓鑄材料，其熱傳導率高達200W/m.K

左右，具有良好的散熱效果。不過，以AA1070鋁合金壓鑄散熱器存在著一些其自身無法克服的先天不足：壓鑄時表面流紋及氧化渣過多，會降低熱傳效果。冷卻時內(nèi)部微縮孔偏高，實質(zhì)熱傳導率降低(K<200W/m.K)。模具易受侵蝕，致壽命較短。成型性差，不適合薄鑄件。材質(zhì)較軟，容易變型２．壓鑄鋁成型工藝分：

工藝一般是：壓鑄成型───粗拋光去合模余料