大功率LED散热技术和热界面材料研究进展[1]

　　0　引言

　　LED照明应用和产业发展前景诱人，但LED要真正实现大规模广泛应用，仍有许多问题需要解决，散热就是其中一个难点、关键和核心问题之一。目前LED的光电转换效率还相对较差，仅20%～30%的输入电能转化为光能，其余70%～80%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化为热能，使LED温度升高，而温度的升高会产生以下不良影响：发光强度降低、发光主波长偏移、严重降低LED的寿命，加速LED的光衰等。因此LED产品的性能及其可靠性，很大程度上取决于是否具有良好的散热设计，以及所采取的散热措施是否有效。目前LED器件的热流密度高达1W/mm2量级，属于高热流密度器件，LED器件的散热问题是其大规模推广应用的关键问题之一。低热阻、散热良好是大功率LED的未来发展趋势和产品竞争力的重要体现。本文在分析大功率LED散热各主要环节热阻的基础上，从散热技术和热界面材料两个方面，对目前LED散热技术的国内外研究进展进行了评述。

　　1　LED热阻分析

　　典型的LED芯片装配结构如图1所示，其中LED芯片通过焊接或者硅脂固定在衬底上，热量以热传导的方式从芯片经焊层、衬底、热界面材料(TIM)传递至热沉，再以各种散热方式将热量传递到环境中去，热沉可用其他冷却方案代替，如强制空冷、热管、热电制冷等。根据热阻分析原理可知：

　　其中，Tjunction为LED结温，Ta为环境温度，P为LED输入电能中转化为热能的功率，Rj-sp为LED芯片到焊层的热阻，Rsp-sub为焊层到衬底的热阻，Rsub-TIM为衬底与热界面材料间的热阻，RTIM-hs为热界面材料与热沉间的热阻，Rhs-a为热沉与环境间的热阻。从上式可知，LED结温主要由热负荷、环境温度和各环节热阻决定。要降低结温，应降低各环节热阻，特别是合理设计散热器和选择热界面材料。

　　图1　LED热阻模型

　　2　LED冷却技术

　　2.1　自然冷却自然对流散热通常用于小功率器件和单颗大功率器件散热，翅片散热是最常用的方法。Arik等比较了板翅式和针翅两种翅片形式作为LED热沉的性能，比较了不同材质、翅片数量和高度下散热性能。Luo等给出了板翅式热沉的设计和优化方法，并用于大功率路灯的热管理，实验验证了该方法的可靠性。Scheeper等比较了详细三维LED热模型和简化的热阻模型，其中详细模型综合考虑了功耗和热阻对光输出的影响，指出简化热阻模型会高估结点温度。并给出了LED自然对流散热的优化设计方法，可用以指导外部肋片式热沉的设计。

　　2.2　风冷

　　普通风扇由于噪音大、功耗高、可靠性差，且风扇带动周围的旋转磁场因漏磁或者电火花干扰周围电子元件的正常工作，因此在LED散热中很少应用。Acikalin等提出了压电风扇应用于LED的方案，并研究了风扇振幅、与热源距离、长度、风扇共振频率偏移等参数的影响，指出风扇共振频率偏移和风扇振幅是最重要的参数。该方法可将热沉温度由自然对流条件下70.6℃降低至37.4℃。利用压电原理，Ma等开发了一种压电肋片作为LED散热结构，压电材料制成的振动肋片上覆盖薄铜层，当电压作用于压电肋片时，肋片会随电压和频率的变化产生振动，从而破坏热边界层达到提高换热系数的目的。

　　Chau等采用电流体动力学(EHD)强化LED散热性能，即通过高压直流供电的电极电离翅片间空气，使其放电产生离子风形成强制对流，从而强化LED散热性能;研究测试，在电压15～23kV时对流换热系数是自然对流的7倍，普通风扇的1.4倍，其缺点是尺寸大且高压直流电源的供给问题。

　　合成射流是一种零质量射流技术，其原理及采用此技术冷却的LED灯如图2所示。

　　图2　合成射流LED灯具及其原理图

　　压电驱动器由金属基板和压电材料组成，压电片在电压信号作用下生逆压电效应，将输入的电能转化为振动的动能，从而在激励器开口孔处有非定常射流产生。当腔体内气体受到压缩时，空气经由出口孔缝排出腔体;当腔体膨胀时，外界出口孔缝附近气体由开孔进入腔体，在气体这种吹/吸交替进行过程中，开口孔缝附近气流受到强烈的剪切作用，形成旋涡对，从而强化空气与热沉间的换热性能。Song等建立了采用合成射流冷却的LED筒灯的寿命分析模型，结果显示：在预期寿命(50　000h)内结点温升可忽略不计，50　000h后LED光通量仍可维持初始光通量的76%左右。

　　2.3　液冷散热

　　2.3.1　水冷

　　Ma等提出了一种水冷LED冷却方法，如图3所示，液体流经LED下侧时将热量带走。为了强化换热效果，在芯片正下方布置方形针，方形针起到肋片的作用的同时可增强流动湍流度，从而提高换热系数。但研究同时指出，如果设计不当，下游的芯片温度将高于上游和中间的芯片，造成温度不均，可能会加速LED热失控问题，影响设备的可靠性。

　　图3　水冷LED原理示意图

　　2.3.2　微通道冷却

　　吕家东将硅基微通道制冷技术引入到LED中，指出微通道制冷具有传热系数高、结构紧凑、与芯片热膨胀系数接近等优点。李如春针对直鳍片微通道结构的LED散热器，理论分析了影响其热阻的因素，指出当散热器的尺寸、材质和工质确定时，热阻主要取决于散热器的结构参数和工质的流速及压力;优化结果表明在微通道宽度70μm时，总热阻只有0.063W/℃，远低于空气对流换热热阻。在微通道结构设计方面，李如春、Yuan分别研究了交错结构微通道散热器，指出该结构可有效提高换热系数，提高芯片阵列的均温性。

　　图4　安装微通道冷却的大功率LED结构示意图

　　图5　交错结构微通道散热器的示意图

　　2.3.3　微喷冷却

　　该方向研究主要集中在刘胜教授课题组。其原理如图6所示：在微泵作用下，小型流体腔中的流体通过微喷器件入口流入射流腔，在压头作用下将通过系列喷口形成强烈的射流，射流直接冲击芯片基板的下表面，产生强烈的换热效果，芯片产生的高热流将被射流吸收温度降低，而升温后的流体将通过微喷器件出口流入小型流体腔，在热沉和风扇的作用下将热量释放到环境中温度下降，完成一个循环。罗小兵等对该结构进行了优化，结果显示在同等条件下，采用流体单进双出的结构形式可使射流更均匀，散热效果更佳，相对于单进单出结构，芯片最高温度可降低23℃之多。

　　图6　微喷冷却系统原理图

　　2.3.4　多孔微热沉冷却

　　Wan等首次提出了多孔微热沉冷却作为LED散热系统，其原理如图7所示，其系统流程与微喷冷却类似，不同之处在于微喷阵列和腔室被多孔微热沉取代，多孔微热沉内部是多孔介质，具有比表面积大、传热系数高等优点。数值模拟结果显示：热流密度500W/cm2，工质流速0.5m/s时，平均换热系数约61.1kW/(m2·℃)，热沉最大温度为58.4℃，远低于LED结温的限值。

　　图7　多孔微热沉冷却系统原理图

　　2.3.5　液态金属冷却

　　液态金属冷却技术利用金属介质液态时良好的流动性和高导热性。图8是液态金属用于LED散热的系统原理图。主散热器直接与LED基底相接触，吸收其热量的同时，液态金属温度上升，并流经副散热器，并在其内将热量散至环境中，液态金属在电磁泵作用下循环回到主散热器内进行下一次循环。测试结果显示：在LED灯的输入功率达到25.7W时，液态金属散热系统可将其基座温度维持在33.1℃，保证了LED灯安全稳定运行。

　　图8　液态金属技术用于LED散热原理图