大功率LED散热技术和热界面材料研究进展[2]

　　2.4　热管

　　热管是一种高导热性能的相变传热元件，具有以较小的温差获得较大的传热率、结构简单、单向导热等优点，因此热管技术应用于LED的研究也较多。Sheu等、Kim等分别研究了热虹吸热管在单芯片和芯片阵列中的应用，然而传统的热虹吸热管由于是汽液同道，热管一弯曲效能便剧降。而应用于大功率LED领域，热管必须弯曲，所以传统的热管不能够有效地解决大功率LED的散热问题。鲁祥友等提出并研究了用于大功率LED散热的新型平板蒸发器热管(LHP)。该系统包括蒸发器、循环管、冷凝器和储液器四部分，大功率LED与蒸发器的壁面直接焊接，回路热管运行时，液体工质在蒸发器内吸收热量蒸发，产生的蒸汽通过循环管进入冷凝器后放出热量冷凝成液体，而毛细结构的毛细力再使液体沿着循环管的管壁上的小孔回流到蒸发器中的丝网毛细结构中，如此形成了一个工质的流动循环和热量传递过程。试验结果表明，所设计的热管散热器的热阻在0.19～3.1K/W，蒸发器的均温性被控制在1.5℃以内，满足大功率LED封装的均温性要求，在热负荷为100W时，蒸发器的温度被控制在100℃以下，满足大功率LED结点温度的控制要求。王昊等设计了一款水平放置的LED微槽群平板热管散热器(如图9)，利用毛细微槽群热沉结构的薄液膜高强度蒸发和厚液膜区域液体核态沸腾的联合换热机制，强化平板热管的换热性能。

　　图9　LED散热用平板热管

　　Wang等研究了30WLED的均温板散热性能，相同条件下采用均温板的LED温度比铝板低10℃，187.5W/cm2时最高导热系数约965W/(m·℃)，且均温板的应用有助于LED热点的消除。王宏燕等研究了一种均温板与微热管组合(如图10)，再与铝制肋片散热器结合的新型大功率LED散热装置，利用均温板均温性和微热管的远距离传输性能，有效降低LED中心结温的同时，可使温度分布更均匀。

　　图10　均温板、微热管和肋片散热器相结合的LED散热装置示意图

　　振荡热管内部集相变传热、显热传递和膨胀功于一体，且没有普通热管的传热限制，因此热流密度很大而不会烧干，而受到广泛的关注。Lin等改进了传统的振荡热管，在金属铝板上加工出平行互联的矩形通道作为毛细通道，结果显示该结构振荡热管具有良好的传热性能，且增大流程数和通道截面积可进一步改善散热性能。

　　2.5　半导体热电制冷

　　热电制冷是利用半导体材料的帕尔贴效应，即电流流经两种不同材料界面时，将从外界吸收或放出热量，其实际应用伴随着半导体材料制造技术的发展取得了突破性的进展。

　　唐政维研究了分段热电元件应用于单个LED芯片的散热，田大垒等研究了大功率LED阵列模块热电制冷的性能，均取得了良好的效果，不但可以降低LED温度，而且可提高发光效率。Wang等人对比了不加热沉、加热沉以及加装有TEC热沉三种情况的性能，结果表明当LED功率小于20W时，TEC热沉结合的方式能够满足散热要求。

　　传统的热电冷却器多采用两块陶瓷板实现导热和电绝缘的功能，而LED多采用硅衬底，因此采用陶瓷基的热电冷却器与硅衬底热源接触时会产生热膨胀系数不匹配。因此Cheng等提出了基于Si材料制作的热电冷却器作为大功率LED散热器;在此基础上，Liu等人利用微机电系统制造技术(MEMS)和倒装芯片工艺将硅基热电冷却器直接封装在大功率LED基板上。研究结果显示，通过合理调节电流，LED结点与壳体间的热阻可低至零，且可有效提高LED的光效比。

　　图11　热电冷却-LED集成封装结构

　　3　热界面材料(TIM)热界面材料是LED散热热阻中非常重要的一环，以1W级LED为例，通常要求其热阻小于等于20K/W，如选用热沉粘接胶作为热界面材料时其自身的热阻就已达到将近16K/W，占总热阻的80%，因此选用芯片键合材料对功率LED器件的热性能有着重大影响。

　　热界面材料包括导热胶、相变材料(PCM)、导热弹性体、导热胶粘剂和低熔点合金(LMTA)。目前用于LED芯片封装一般可以通过四种方式：导热胶粘贴、导电型银浆粘贴，锡膏粘贴和锡金合金共晶焊接。

　　导热胶是在基体内部加入一些高导热系数的填料，如SiC、AlN、Al2O3、SiO2等，从而提高其导热能力。导热胶的优点是价格低廉，具有绝缘性能，工艺简单，控制也没有银浆那么严格，其硬化温度一般低于150℃，甚至可以在室温下固化。但导热性普遍较差，热传导系数只有0.7W/(m·K)。而且如果芯片为L型电极(即电极位于芯片的两侧)，就必须使用导电的材料封装，导热胶只能用于V型电极的封装。

　　导电银浆和锡浆。导电银浆是在环氧树脂内添加银粉，其硬化温度一般低于200℃，热传导系数为20W/(m·K)左右，具有良好的导热特性、同时粘贴强度也较好，但银浆对光的吸收比较大，导致光效下降。同样条件下，银浆与导热胶相比，初始光通量会相差较多。小功率LED芯片发热量少，所以通过导电银浆作为粘结层完全可以满足散热性好、寿命长及可靠性高的要求。但由于银浆在提升亮度的同时会发热，且含铅等有毒金属，因此并不是粘贴材料的最佳选择。导电锡浆的热传导系数约为50W/(m·K)，是以上三种键合材料中热导特性最优的，一般用于金属之间焊接，导电性能也很优越。

　　锡金合金共晶焊接。共晶焊即利用金属的共晶点将两种金属焊在一起，在各种合金焊料中，Au-Sn的共晶温度只有280℃，适合作为大功率LED芯片的粘结材料。Kim等[35]比较了导热导电银胶、Sn-Ag-Cu钎料和Au/Sn共晶钎料作为热界面材料的散热性能，发现对于SiC衬底片与Si基板的键合，Au/Sn共晶钎料的封装热阻明显低于银胶和Sn-Ag-Cu钎。Park等人[36]通过Au/Sn共晶的方法将LED芯片直接键合到Si基板上，发现键合之后界面形成了连续的金属间化合物(IMC)层，但在界面及焊点中形成了许多孔洞，孔洞缺陷的存在阻碍了热传递，增大了热阻。为克服该缺陷，殷录桥等提出将W、Ti、Cr以及Au-Sn等相关金属层镀在Al基板上，在430℃下通过回流焊使基板上的金属成为均匀的Au80Sn20合金组织，然后再在320℃条件下通过共晶焊将芯片键合到Al基板的Au-Sn合金层上，破坏试验结果表明，该方法可在满足散热的基础上满足键合强度的要求。

　　碳纳米管。大多数传统的TIM均是有聚合物内添加导热粒子(如金属、陶瓷、炭黑等)，通常热界面材料的润湿性取决于基体材料特性，而传热系数取决于填充材料及界面条件，高填充率提高传热系数但降低了润湿性，这是传统TIM的局限所在，而碳纳米管则突破了该矛盾。目前多壁碳纳米管(MWNT)测得的导热系数约500～3　000W/(m·K)，而单壁碳纳米管(SWNT)高达3　500W/(m·K)，具有高导热、热导率各向异性、径向面内低热膨胀系数、轻质、抗老化、抗氧化等突出优点，是目前能够适应不断提高的芯片功率的最佳热界面材料。Zhang　Kai等在铝合金板上直接生长VACNT作为热界面材料，并研究了两侧生长VACNT的散热结构，其热阻仅为采用商业热界面材料传统散热结构的30%;应用于高功率LED的测试结果显示，光输出功率随注入电流增加线性增大，到900mA也没有饱和，而采用商业TIM时注入电流700mA即饱和。碳纳米管的缺点是其制作加工工艺复杂、成本高。

　　图12　CNT作为热界面材料的LED封装示意图

　　4　结论随着LED功率和集成度的日益提高，LED热流密度越来越大，散热问题日益严峻，散热性能优良的大功率LED的需求和研究已成为热点。目前主流商业产品中，用得最多的方法仍然是自然对流，其结构简单、成本低廉;其他许多研究目前多处于实验室阶段，离商业化尚有一段距离，进一步提高其传热性能、降低尺寸和生产成本、提高其可靠性将是未来LED散热技术的研究重点，对LED光、热、电和结构等性能统一考虑，也将是今后研究的趋势之一。

　　在各种热界面材料中，导热胶导热系数最低，导电银胶次之，然后依次为导电锡胶、锡金合金和碳纳米管;碳纳米管是一种非常有潜力的热界面材料，但其应用于LED封装，仍需要解决性能、价格和封装工艺等方面存在的问题。

编辑：Cedar