LED照明热管理关键技术分析

LED散热问题是影响其寿命的重要因素，与传统光源一样，LED在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能 量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在PN结附近辐射出来的光还需经过芯片(chip)本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界(空气)。综合 电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光取出效率等，最终大概只有30%~40%的输入电能转化为光能，其余60%~70%的能量主要以非辐射复合发 生的点阵振动的形式转化热能。本文将围绕着碳复合功能材料在导热散热中的应用，以及胶粘贴片与共晶焊贴片的几种贴片工艺比较进行阐述，介绍当前热管理的几 种关键技术。

一、常用散热方式

提高 LED发光效率是业内研究的热点，其中从芯片角度提高外量子效率目前常用的途径有：生长分布布拉格反射层结构、制作透明衬底、衬底剥离技术、倒装芯片技 术、表面粗化技术、异形芯片技术、采用光子晶体结构等。目前，芯片即使光效达到200lm/W,外量子效率仍不高，原因在于散热管理尚未得到理想解决。

目前，由日本松下电工(Matsushita Electric Works Ltd)与美国加州大学圣塔芭芭拉分校(USCB)共同研究的计划，已开发出具有较高外部量子效率的发光二极管(LED)。

图1 USCB研究成果

根据热流定律，热传导方式的导热系数中通过材料的热流总量总是反比于材料的热阻。

增 大热传导的方法有：①增大芯片热传导系数;②增大焊料热传导系数;③减薄焊料厚度;④增大基板热传导系数。在管芯与透镜、热沉基板、金丝、热沉金属电路层 之间的对流中，管芯-热沉基板-散热器-热对流至空气、管芯-金丝-热沉金属电路层-散热器-热对流至空气、管芯-热沉金属电路层-散热器-热对流至空气 这三种方式是主要的散热途径，管芯-热沉金属电路层-散热器-热对流至空气是次要途径。

图2 封装件中热传导路径

对流传热是流体流动载热与热传导联合作用的结果，流体对壁面的热流密度因流动而增大。流动传热分为强制对流和自然对流两种。根据牛顿冷却定律：

Q=A×α×(tW-t)

其中，Q热流量;A为散热面积，α为对流系数，为壁温(℃)，t为冷流体主体温度。由公式可推出，增大热对流方法有：1.增大散热面积;2.增大对流系数;3.增大温度差。

图3 两种散热方式的散热路径

二、封装热传导材料的研究进展

1.气相生长碳纤维(VGCF)

VGCF是一种碳功能符合材料，制作方法是在载有铁镍催化剂的陶瓷基板上通入氢气和烃类气体混合物在1100℃下生长纤维状碳，再经过2600℃热处理。实验估计，在室温下这种材料的热导率可达到1260W/mK。

图4 气相生长碳纤维（VGCF）在电子显微镜下的形态

这种新型材料用作导热基板的可能性在于，VGCF浸入环氧树脂后，经过150℃热压成型，形成块状混合材料，其热导率可达到695W/mK，由此可开发出新的贴片工艺。

但VGCF存在的问题是，首先，由于它向异性的热传导特性，使其对其下的热沉热导率要求很高。其次，芯片与VGCF界面之间的热阻较大。最后，这种材料目前的价格较高，无益于LED灯具整体价格的降低。

2.碳纳米管(CNTs)

CNTs 是由单层或多层石墨片曲卷而成的无缝纳米管状壳层结构，具有良好的热、电和力学性能。目前，通过理论计算和实验均已证明碳纳米管具有较高的热导率。 S.Berber与Y.K.Kwon等人利用分子动力学(MD)模拟计算出单壁碳纳米管(swNT)的室温热导率高达6600W/mK。Kim等人用实验 方法测出多壁碳纳米管(MWNT)的室温热导率达3000W/mK。

图5 碳纳米管（CNTs）在电子显微镜下的形态