降低結溫以提高壽命 新型LED散熱技術詳解
加入技術交流群
為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的改進就是采用導熱更好的襯底材料。早期的LED只是采用Si硅作為襯底。后來就改為藍寶石作為襯底。但是藍寶石襯底的導熱性能不是太好，（在100°C時約為25W/（m-K）），為了改善襯底的散熱，Cree公司采用碳化硅硅襯底，它的導熱性能（490W/（m-K））要比藍寶石高將近20倍。而且藍寶石要使用銀膠固晶，而銀膠的導熱也很差。而碳化硅的唯一缺點是成本比較貴。目前只有Cree公司生產(chǎn)以碳化硅為襯底的LED。
圖3. 藍寶石和碳化硅襯底的LED結構圖
采用碳化硅作為基底以后，的確可以大為改善其散熱，但是其成本過高，而且有專利保護。最近國內的廠商開始采用硅材料作為基底。因為硅材料的基底不受專利的限制。而且性能還優(yōu)于藍寶石。唯一的問題是GaN的膨脹系數(shù)和硅相差太大而容易發(fā)生龜裂，解決的方法是在中間加一層氮化鋁（AlN）作緩沖。
LED芯片封裝以后，從芯片到管腳的熱阻就是在應用時最重要的一個熱阻，一般來說,芯片的接面面積的大小是散熱的關鍵，對于不同的額定功率，要求有相應大小的接面面積。也就表現(xiàn)為不同的熱阻。幾種類型的LED的熱阻如下所示：
早期的LED芯片主要靠兩根金屬電極而引出到芯片外部，最典型的就是稱為ф5或F5的草帽管，它的散熱完全靠兩根細細的金屬導線引出去，所以散熱效果很差，熱阻很大，這也就是為什么這種草帽管的光衰很嚴重的原因。此外，封裝時采用的材料也是一個很重要的問題。小功率LED通常采用環(huán)氧樹脂作為封裝材料，但是環(huán)氧樹脂對400-459nm的光線吸收率高達45%，很容易由于長期吸收這種短波長光線以后產(chǎn)生的老化而使光衰嚴重，50%光衰的壽命不到1萬小時。因而在大功率LED中必須采用硅膠作為封裝材料。硅膠對同樣波長光線的吸收率不到1%。從而可以把同樣光衰的壽命延長到4萬小時。
下面列出各家LED芯片公司所生產(chǎn)的各種型號LED的熱阻
由表中可見，Cree公司的LED的熱阻因為采用了碳化硅作基底，要比其他公司的熱阻至少低一倍。大功率LED為了改進散熱通常在基底下面再放一塊可焊接的銅底板以便焊到散熱器上去。這些熱阻實際上都是在這個銅底板上測得的。
是不是碳化硅就是LED襯底的最佳選擇呢，不是這樣，任何事物都會有創(chuàng)新和發(fā)展的，最近臺灣的鉆石科技開發(fā)出了鉆石島外延片(Diamond Islands Wafer，DIW)做為生產(chǎn)超級LED 的基材。這種LED的熱阻可以低至5°C/W。用它制成的超級LED 可發(fā)出極強的紫外光，其強度不因高溫而降低，反而會更亮。其結構圖如圖4所示。
圖4. 采用類鉆碳(Diamond Like Carbon，DLC) 的鍍膜可以大大改善LED的散熱
圖5. 用DLC鍍膜和鋁結合可以比其它結構的LED有更好的散熱特性
評論