大功率LED散热技术研究进展[1]

　　1引言

　　白光LED照明是基于电致发光原理，通过LED芯片发出单色光，再进一步激发荧光粉复合发出白光。作为第四代照明光源，LED以其维护费用低、寿命长、抗震性好、功耗小和环境友好等优势而受到世界各国的重视，被广泛用于指示灯、显示屏、背光源、景观照明、交通等，据报道[]，2012年全球LED照明市场产值达870亿美元，并将保持5~7%的速度增长。

　　人们一般将1W及以上的LED称为大功率LED。目前常见的大功率LED分为单芯片大尺寸和多芯片小尺寸模组两种。单芯片大尺寸要求单颗芯片功率大，应用较少，目前主要应用多颗大功率LED芯片组合发光模组[]。LED属高热流密度器件，热能主要通过芯片底部散出，芯片的热能难以快速导出，所以LED散热一直是大功率LED产品非常重要的问题，LED封装基板、散热器的性能对大功率LED产品散热非常关键。

　　2 大功率LED结构

　　目前，LED芯片结构上分为三大类：水平结构、倒装结构、垂直结构。

　　2.1水平结构

　　水平结构是一种传统芯片结构，如图1所示，其正负极均位于芯片顶面，同时采用蓝宝石作为衬底。有源区发出的光经由P型GaN区和透明电极射出，该结构技术成本低，制作工艺相对成熟。主要存在的缺点是：a、正负极均位于顶面，电流须横穿N型GaN层，导致电流拥挤，局部(拐角处)发热量较大，限制了驱动电流;b、蓝宝石材料导热性差，封装热阻高。

　　图1 水平结构示意图

　　2.2倒装结构

　　倒装结构正好是水平结构的倒装，如图2所示。此结构将芯片通过焊料倒装在高导热衬底上，与水平结构相比，主要热量不经过蓝宝石导出，因此较水平结构散热性大大增强，提高了LED芯片可承受的电功率，但是此结构较水平结构局部发热量较大问题并未改善，同样限制了驱动电流。

　　图2 倒装结构示意图

　　2.3垂直结构

　　垂直结构[]利用激光剥离和衬底转移技术，将GaN从蓝宝石上剥离并转移至衬底上，图3给出了垂直结构的示意图。芯片顶面和底面各作为一个电极，这样，电子的运动方向垂直于有源层，有源区利用率大大提高。衬底剥离后，其顶面、侧面均可出光。垂直结构不存在局部发热量过大的问题，而且该结构能在保证光效的情况下，采用较大的驱动电流，这样其光强大大强于前述两种结构，因此垂直结构是半导体照明领域发展的主要趋势。

　　图3 垂直结构示意图

　　表1例举了世界五大LED芯片公司主要领先技术，最近Cree基于其独创的SC3技术(第三代垂直结构碳化硅技术)，推出了XLamp MK-R型LED，其光通量高达200lm/W，是LED产业界的里程碑式产品;而欧司朗基于其薄膜芯片技术制作了一款红外薄膜芯片，该芯片在工作电流为100mA，面积为1 mm2的情况下，创下了72%的能效新记录。

　　表1 世界五大LED芯片公司领先技术

　　3 大功率LED散热不良导致的危害

　　小功率LED，尺寸小，功率低(<1W)，热量可以通过引脚导出。大功率LED(>1W)，目前光电转换率约为10%-20%左右，其余均转换成热能，如一个面积为1*1mm²的3W的 LED芯片，如果其光电转换效率为20%，则有2.4W的热量产生，其热流密度为240W/ cm²，可见大功率LED的热流密度非常大，如果热量不能及时的排出，其导致的危害主要在以下几个方面：

　　3.1显色性变差

　　随着LED芯片结温升高，产生热效应引起带隙收缩，电子在晶体中的共有化运动加快，能级分裂严重，使得禁带宽度减小，导致峰值波长向长波方向移动，即发生波长红移，而波长红移会导致显色指数下降;温度升高时，晶格震动加剧，杂质缺陷增多，导致半导体光吸收增强，损耗系数增大，因此内量子效率随温度升高而降低，这样芯片内部产生蓝光能量减少，并且荧光粉转换效率降低，导致色温升高;此外，LED透镜存在折射率温度效应，温度变化会影响透镜的折射率，扰乱LED配光曲线。

　　3.2可靠性和寿命降低

　　一般芯片、基板、引线框架、封装材料外壳、密封胶等通常具有不同的热膨胀系数，当LED工作时，其温度循环幅度增大，其产生的热效应导致内应力增大，使得LED封装产生微裂缝，随着疲劳的不断传播，微裂缝将逐渐扩大到临界尺寸，足以造成封装失效;另外粘结材料或芯片—粘结界面的孔洞也能通过扰乱热传导或应力传导机理导致芯片破裂;高热将损害磁性组件及输出电容器等寿命，使驱动器可靠性降低;典型的LED由光学透明的环氧树脂封装，温度升高到玻璃转换温度时，环氧树脂由刚性材料转变为弹性材料，热膨胀系数(CET)会有很大的变化，封装树脂膨胀和收缩产生形变应力，使奥姆接触/固晶接口的位移增大，导致LED开路和突然失效;LED寿命表现为它的光衰，温度升高时，荧光粉老化加速，透明的环氧树脂会逐渐变形、发黄，温度越高，老化越快。高温时，材料缺陷增殖、扩展，同时一些杂质也侵入发光区，导致光衰，使得LED使用寿命下降。

　　3.3正向电压不稳定

　　正向电压是判定 LED 性能的一个重要参量，它的数值取决于半导体材料的特性、芯片尺寸以及器件的成结与电极制作工艺。一般LED供电电源要求恒流稳压。恒压模式下，随着LED工作温度升高，反向饱和电流增加速度加快，使得正向压降下降，电功率增大，导致散热量增大;反过来又使得正向压降下降，形成恶性循环，最终导致器件损坏。

　　可见，如果散热性差，将导致LED显色性变差、可靠性和寿命降低，同时影响正向压降，严重时甚至导致LED死灯。

　　4 大功率LED散热技术研究进展

　　图4 大功率LED结构图

　　LED的主要散热通道有三个，如图4所示

　　即：a、芯片—真空—透镜—大气;

　　b、芯片—金线—封装基板—散热器—大气;

　　c、芯片—封装基板—散热器—大气。

　　大功率LED芯片属高热流密度器件，其工作产生大量的热量需要不同的热通道传递至大气，实现与外界的电互联和热交换。通道a的封装透镜导热率极低，散热量十分有限，通道b虽然金线的导热率非常高，但是由于金线直径小，其散热量也十分有限，对比可知芯片工作产生的热量，主要由通道c散热，因此目前的研究重点为封装基板及外部散热器或散热结构上。提高散热能力的主要方法有改善基板散热性能、设计散热性能优良的外部散热器或散热结构。