【摘要】大功率LED應(yīng)用非常廣泛，其能耗小，照明強(qiáng)度高，當(dāng)大規(guī)模芯片整合后，提高了LED的散熱能量，若芯片發(fā)出的熱量得不到及時處理將會影響LED陣列使用壽命，本文通過分析LED陣列工作原理，討論大功率LED散熱的常用技術(shù)，討論散熱技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】大功率 LED 散熱技術(shù)

LED是發(fā)光二極管的簡稱，它是基于半導(dǎo)體管芯的發(fā)光材料，伴隨著半導(dǎo)體材料研究技術(shù)的日益成熟，規(guī)模化發(fā)光二極管被廣泛應(yīng)用。LED發(fā)光二級管能耗小，照明強(qiáng)度大，使用壽命長，可根據(jù)特定需求設(shè)計(jì)出不同規(guī)格尺寸，已被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)裝修，車輛，道路和城市照明領(lǐng)域。在實(shí)際工作中，LED 的功率是無法達(dá)到100%的，將近有80%的輸入功率要轉(zhuǎn)換為熱損耗，隨著大規(guī)模、矩陣型的LED燈的使用，能耗也會變得越來越 大，如果不能及時的處理散熱問題，將會導(dǎo)致熱量集中在二極管的 PN結(jié)，就會降低LED燈的使用壽命，嚴(yán)重時甚至?xí)龤ED。

1、大功率LED的工作原理分析

1、LED結(jié)構(gòu)

PN結(jié)是發(fā)光二極管(LED)的核心，主要是半導(dǎo)體材料構(gòu)成的， 主要是GaAs（砷化稼)、GaP(磷化稼)、GaAsP(磷砷化稼)等半導(dǎo)體作為PN結(jié)的主要材料，在一般情況下，LED的主要PN結(jié)是一個以 5mm 常規(guī)半徑構(gòu)成，在PN結(jié)的邊緣利用0.23mm的正方形管芯將PN 結(jié)粘接或者燒結(jié)在帶引線的二極管支架上，將引線作為二極管的陰極，球形觸點(diǎn)的金絲鍵作為二極管的內(nèi)引線，然后在它們連接到另一支架上，將多個二極管連接在一起就形成了大規(guī)模的LED矩陣。LED發(fā)光二極管的工作原理是將電能轉(zhuǎn)化為光能的過程，當(dāng)二極管的PN結(jié)兩端加上正向偏壓時，二極管的PN電位發(fā)生變化，此時,P區(qū)正離子電荷開始流向N結(jié),N結(jié)負(fù)離子電荷同時流向P結(jié),P結(jié)和N結(jié)開始產(chǎn)生電勢差。在電光轉(zhuǎn)換過程中,PN結(jié)的兩端負(fù)載正向偏壓時會使P結(jié)和N結(jié)的區(qū)域產(chǎn)生非電荷平衡，從而使P結(jié)和N結(jié)組成的體系，所生成的載流子具有不穩(wěn)定性,PN結(jié)內(nèi)非平衡空穴需要和導(dǎo)帶上的電子進(jìn)行復(fù)合才能產(chǎn)生電流，同時所生成的過剩載流子容量也將以光的方式輻射出去。

2、大功率LED陣列的熱效應(yīng)及影響

目前由于大型LED矩陣所產(chǎn)生的熱如果不及時散熱將會影響LED矩陣的正常工作，通常LED矩陣發(fā)光效率所利用的能量僅能達(dá)到20%左右，其中80%是以熱形式散發(fā)，若LED光通能量符合標(biāo)準(zhǔn)普通照明光通量應(yīng)在1000流明以上，我們常用的LED照明光源LED（1mmX1mm）功率通常在1瓦左右，且生成熱流密度可達(dá)106 W/mz或更高，此時需要能及時傳導(dǎo)所生成熱流，不然會累積于LED芯片內(nèi)，進(jìn)而造成芯片結(jié)溫增加，最后燒壞芯片。這是LED芯片設(shè)置必須要解決的問題，當(dāng)多個芯片封裝在一起時，在增加光通量的同時，也產(chǎn)生的更多的熱量散熱問題。電流持續(xù)通過PN結(jié)， 在LED光通量增加的同時，還會導(dǎo)致PN結(jié)的溫度升高，進(jìn)而就會影響LED的PN結(jié)內(nèi)部的電子濃度，同時也會影響PN結(jié)的空穴濃度，禁帶寬度等參數(shù)，如果長時間的不能散熱，就需導(dǎo)致PN結(jié)的正向偏壓、發(fā)光效率、主波長等受到影響，這樣就會影響LED的使用壽命，也會影響LED的正常工作。當(dāng)LED結(jié)溫的升高時，就會改變PN結(jié)之間的載流子的流動，這樣會嚴(yán)重破壞PN結(jié)的正向偏壓， 導(dǎo)致LED不能夠正常工作。如果PN結(jié)溫度持續(xù)升高，它的工作環(huán)境就會發(fā)生變化，這時，PN結(jié)兩邊的熱平衡電子濃度就會發(fā)生變化，導(dǎo)致大量的少子產(chǎn)生，從而就會很快的激發(fā)PN結(jié)載流子的濃 度比雜質(zhì)比就和增加，這時就會導(dǎo)致PN結(jié)的歐姆接觸電阻的電阻率下降，就會將雜質(zhì)半導(dǎo)體變成了本征半導(dǎo)體，造成PN結(jié)的功能消失，進(jìn)而會影響PN結(jié)的正常工作。

2、大功率LED散熱技術(shù)處理

大功率LED陣列技術(shù)芯片密度較高,LED光電轉(zhuǎn)化效率僅為20%，其他轉(zhuǎn)化成熱能尤其是LED芯片密度越來越高，則使LED操作溫度升高，從而降低LED等使用壽命；LED操作溫度從63°C升至74°C后。LED的平均壽命會降低四分之三，如果要提高LED的發(fā)光效率，就需要對LED的散熱進(jìn)行處理，降低LED的PN結(jié)的結(jié)溫。

1、風(fēng)冷散熱技術(shù)

空冷散熱一般主要采用的是空氣對流散熱的技術(shù)，它主要分為自然對流散熱和強(qiáng)迫對流散熱技術(shù)兩種方式，空冷散熱技術(shù)主要利用空氣流動來散熱，本實(shí)用新型以空氣為冷卻劑增加LED器件四周空氣流動，則可實(shí)現(xiàn)功率型LED設(shè)備散熱，且風(fēng)冷散熱技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，并且該LED器件還具有結(jié)構(gòu)相對簡單、便于封裝處理、構(gòu)造簡單、裝置成本相對低廉、其工作非?？煽?、并且風(fēng)冷散熱技術(shù)相對成熟等特點(diǎn)，但其散熱效率較低，通常只適用于小功率LED散熱系統(tǒng)。在自然對流散熱技術(shù)的運(yùn)用中，采用散熱器可以增加LED器件的散熱面積，改善LED器件的散熱性能，也能夠 降低LED基板器件的相關(guān)系數(shù)，而影響LED散熱性能的因素有多種 情況，例如散熱器基板的導(dǎo)熱系數(shù)、器件的對流換熱系數(shù)等。散熱器的散熱面積直接影響著LED的散熱情況，而散熱器的形狀對LED 的散熱效率影響十分巨大。隨著LED芯片功率越來越大，對芯片散熱要求越來越高，而利用自然對流無法達(dá)到散熱要求，必須利用小風(fēng)扇提高LED器件散熱區(qū)域內(nèi)空氣對流速率，然后提高散熱器散熱系數(shù)，具體設(shè)計(jì)時，為抑制風(fēng)扇發(fā)出的噪聲，需把風(fēng)扇設(shè)計(jì)得相對較小，甚至融入到LED系統(tǒng)，讓其技能實(shí)現(xiàn)散熱，還能降低風(fēng)扇噪音。

2、水冷散熱技術(shù)

LED水冷散熱系統(tǒng)是大功率LED設(shè)備中常用的散熱技術(shù)之一， 它的散熱介質(zhì)主要是以去離子水為主，充分利用水的循環(huán)流動進(jìn)行散熱。水冷散熱技術(shù)系統(tǒng)主要由水泵、基板、導(dǎo)水管等部件構(gòu)成， 它采用水在導(dǎo)水管中的流動，達(dá)到對LED器件進(jìn)行散熱的目的。本實(shí)用新型通過散熱管也增大了LED散熱面積,LED芯片工作過程中的熱量被轉(zhuǎn)移到基板上，水泵的主要作用就是對散熱器進(jìn)行水循環(huán)供電，本實(shí)用新型確保離子水可以循環(huán)流動，并由LED芯片把產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)移到LED基板器件上，進(jìn)而由基板把熱點(diǎn)轉(zhuǎn)移到水中，最后由導(dǎo)水管利用水流把熱帶走，從而實(shí)現(xiàn)特定散熱。采用水冷散熱系統(tǒng)可以快速的降低LED芯片帶來 的熱量，與風(fēng)冷散熱相比，雖然水泵在運(yùn)行的過程中還會產(chǎn)生一定的噪聲，但水冷散熱能夠快速的散熱，具有安靜、對環(huán)境依賴比較小等優(yōu)點(diǎn)，在一些中小型的LED設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

3、熱管散熱技術(shù)

熱管散熱技術(shù)也較為普遍地應(yīng)用于LED器件的散熱，其主要采用傳統(tǒng)的熱相變增強(qiáng)導(dǎo)熱器件換熱，通常熱管散熱技術(shù)包括管殼，吸液芯及端蓋幾個部分。在LED的熱管設(shè)計(jì)中，熱管的一端設(shè)計(jì)為蒸發(fā)段（加熱段），便于吸收LED器件散發(fā)的熱量，另一端設(shè)計(jì)為冷凝段（冷卻段），其作用是將傳導(dǎo)的熱降溫，高功率LED陣列通常主要通過導(dǎo)熱膠將其與蒸發(fā)段管壁粘接在一起，從而確保能高效地為LED散熱，熱管工作過程中，管體內(nèi)冷卻液被蒸發(fā)段吸熱蒸發(fā)，則可將LED器件發(fā)出的熱帶走，當(dāng)蒸汽從蒸汽腔流入冷凝段，在放出熱量同時，也受到冷卻段的冷凝，然后被冷卻液體，達(dá)到對LED降溫的目的，經(jīng)過冷卻的液體在LED器件的毛細(xì)結(jié)構(gòu)絲網(wǎng)產(chǎn)生的毛細(xì)力作用下，然后再回流到蒸發(fā)段，這樣通過熱管冷之間的液體、氣體之間的循環(huán)，達(dá)到對LED器件進(jìn)行降溫的目的，采用熱管冷卻技術(shù)的缺點(diǎn)是設(shè)備的制作工藝復(fù)雜比較復(fù)雜，體積極大，而且設(shè)備的成本比較高，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性不高。

4、熱電散熱技術(shù)

熱電散熱技術(shù)利用LED陣列通電發(fā)光后所產(chǎn)生的熱能經(jīng)導(dǎo)熱材料進(jìn)行傳導(dǎo)，并通過冷凝設(shè)備進(jìn)行吸熱，主要利用熱與電的調(diào)控來實(shí)現(xiàn)散熱，其原理就是基于熱電效應(yīng)。在沒有外磁場的情況下，熱電散熱技術(shù)包括導(dǎo)熱設(shè)備和焦耳熱損失的影響原理，使用熱電散熱技術(shù)的主要好處在于其散熱密度較高，散熱結(jié)果更加緊湊且能緊密結(jié)合IC工藝，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成效果更佳。與其他傳統(tǒng)散熱方式相比，采用熱電散熱器能夠快速的降低LED器件溫度，能夠快速的使得LED系統(tǒng)的溫度降低到36%以上，而且這種技術(shù)還可以進(jìn)行突破，通過選擇冷效率高的熱導(dǎo)材料，并通過優(yōu)化熱電傳導(dǎo)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱，典型的熱電散熱技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

5、熱聲散熱技術(shù)

熱聲制冷技術(shù)主要采用熱聲效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)LED器件散熱的目的， 熱聲效應(yīng)的工作原理是將LED工作時產(chǎn)生的熱量加入到聲波密集區(qū)域，在設(shè)備的聲波稀疏時將LED系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量排出，然后聲波的能量就會加強(qiáng)。由于聲波在空氣中進(jìn)行傳播時，就會產(chǎn)生壓力波動或者位移的波動，通過聲波產(chǎn)生的壓力波動達(dá)到散熱的目的。聲波在傳播過程中，會受散熱器溫度變化而產(chǎn)生起伏。若當(dāng)氣體壓力，位移和溫度變化為時，則與散熱器邊界接觸從而能迅速傳遞熱能，使聲波和熱能相互轉(zhuǎn)化，然后實(shí)現(xiàn)散熱，利用聲波進(jìn)行散熱具有制冷零件少，且使用成本低，散熱結(jié)構(gòu)相對簡單等優(yōu)點(diǎn)。

3、LED散熱技術(shù)指標(biāo)分析

1、PN結(jié)結(jié)溫

PN結(jié)結(jié)溫主要由PN通電時出現(xiàn)問題引起，通常指代LED芯片結(jié)溫還指代高功率LED芯片主動區(qū)域結(jié)溫。PN結(jié)運(yùn)行過程中，電極間電壓的存在將引起P接和N結(jié)溫差，而影響PN結(jié)結(jié)溫度的主要因素是:

（1）LED元器件不良的電極結(jié)構(gòu)。LED的PN結(jié)合材料直接影響著LED的導(dǎo)電情況與PN結(jié)的結(jié)溫，主要包括PN結(jié)的區(qū)域材料、 導(dǎo)電銀膠以及視窗層襯底等部分都具有一定的電阻值，如果將這些電阻串聯(lián)在一起，在電流經(jīng)過時，就會在PN通電時產(chǎn)生大量的熱能，如果不能及時將這些熱能排出，進(jìn)而能夠?qū)е翽N結(jié)或者芯片的溫度提升。

（2）LED元器件工作時的光電效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)開始工作時，P 區(qū)流向N區(qū)得電荷只有20%的轉(zhuǎn)換成光能，剩余的轉(zhuǎn)換為熱能，才能熱能就是十分巨大的，而且N區(qū)域向P區(qū)產(chǎn)生電荷移動時的能量全部轉(zhuǎn)變成熱能，這也會影響PN結(jié)的結(jié)溫，如果PN結(jié)的光電效能較差的話，就會導(dǎo)致PN結(jié)的結(jié)溫增加。

（3）LED內(nèi)部器件熱散失能力影響PN結(jié)的結(jié)溫。由于多數(shù)LED器件內(nèi)部通常由透明環(huán)氧樹脂材料制成，其導(dǎo)熱率較低，因此PN結(jié)區(qū)域所產(chǎn)生熱能僅有小部分由內(nèi)部器件釋放，并且絕大部分熱量都散發(fā)在該透明環(huán)氧樹脂材料原料上，對LED用PCB基板和熱沉以及其他散熱器方向散熱，這將造成LED散熱效率提高和PN結(jié)結(jié)溫增加。

（4）PN結(jié)的制作工藝。目前，在LED的制作工藝都采用了先進(jìn)的技術(shù)水平，幾乎能夠?qū)⑷娴碾娔苻D(zhuǎn)化為熱能，但是如果LED 的PN周圍的介質(zhì)對光的折射系數(shù)過大，就會將反射回芯片內(nèi)，從而也會導(dǎo)致PN結(jié)的結(jié)溫過高。

2、LED熱阻對散熱指標(biāo)的影響

LED熱阻又是描述LED熱性能的重要參數(shù)，若LED設(shè)備熱阻較低，則表示系統(tǒng)散熱性能良好，同時也表示LED散熱通道較為順暢，內(nèi)部散熱設(shè)計(jì)得越好，使LED所產(chǎn)生熱量越易散去，系統(tǒng)散熱性能也越好，在系統(tǒng)散熱良好的情況下，使LED芯片的結(jié)溫越易降低，可以提高LED壽命。一般地，LED的發(fā)熱中心主要是芯片的有源區(qū)，在設(shè)計(jì)的時候，如果將LED的芯片尺寸設(shè)計(jì) 的相對面積比較大，而且還比較薄，這時，可以假定LED散熱是沿著芯片的截面方向垂直傳遞，對LED的熱阻進(jìn)行分析，從PN結(jié)向外部熱沉，這樣LED的熱擴(kuò)散方式就是向外進(jìn)行擴(kuò)散。在LED熱阻分析中，熱阻可分為內(nèi)熱阻與外熱阻2種表現(xiàn)形式，內(nèi)熱阻為LED芯片所固有，屬LED芯片內(nèi)在性質(zhì)，它關(guān)系到LED芯片的制造材料、形狀和生產(chǎn)工藝，對LED芯片散熱性能有著舉足輕重的影響。外熱阻即LED芯片外殼體，外熱沉，它直接關(guān)系到LED外材料，外熱阻和外殼體封裝材料有關(guān)、形式與外接熱沉導(dǎo)熱率有直接關(guān)系，外接熱阻較大，造成LED芯片整體散熱率降低。

4、結(jié)束語

LED在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用十分廣泛，為了提高LED的使用效率，需要對LED的散熱效果進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，大功率LED陣列的工作壽命與LED的散熱性能有著直接的關(guān)系，一般來說,LED運(yùn)行時，電能僅有20%轉(zhuǎn)化為光能，其余僅轉(zhuǎn)化為熱能，由此可見LED運(yùn)行時在特定的運(yùn)行過程中會產(chǎn)生很多熱能，這就需要在LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 加強(qiáng)對LED的散熱性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效的控制LED的散熱方式，通過采用各種散熱技術(shù)方法來提升LED的散熱效果。在具體的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)LED的使用方法以及LED陣列功率的大小，采用不同的散熱技術(shù)與散熱效果較好的材料，在對PN結(jié)的結(jié)溫進(jìn)行控制的同時，還要能夠有效的降低散熱器的熱阻，提高散熱器的散熱效果。