而芯片溫度的升高，則會(huì)增強(qiáng)非輻射復(fù)合，進(jìn)一步消弱發(fā)光效率。因?yàn)?，人們主觀上認(rèn)為大功率 LED  沒有熱量，事實(shí)上確有。大量的熱，以至于在使用過程中發(fā)生問題。加上很多初次使用大功率LED 的人，對(duì)熱問題又不懂如何有效地解決，使得產(chǎn)品可靠性成為主要問題。那麼，LED 究竟有沒有熱量產(chǎn)生呢？能產(chǎn)生多少熱量呢？ LED 產(chǎn)生的熱量究竟有多大？
        LED 在正向電壓下，電子從電源獲得能量，在電場的驅(qū)動(dòng)下，克服PN 結(jié)的電場，由N 區(qū)躍遷到P 區(qū)，這些電子與P 區(qū)的空穴發(fā)生復(fù)合。由于漂移到P 區(qū)的自由電子具有高于P 區(qū)價(jià)電子的能量，復(fù)合時(shí)電子回到低能量態(tài)，多餘的能量以光子的形式放出。發(fā)出光子的波長與能量差 Eg 相關(guān)?？梢?，發(fā)光區(qū)主要在PN 結(jié)附近，發(fā)光是由于電子與空穴復(fù)合釋放能量的結(jié)果。一隻半導(dǎo)體二極體，電子在進(jìn)入半導(dǎo)體區(qū)到離開半導(dǎo)體區(qū)的全部路程中，都會(huì)遇到電阻。簡單地從原理上看，半導(dǎo)體二極體的物理結(jié)構(gòu)簡單地從原理上看，半導(dǎo)體二極體的物理結(jié)構(gòu)源負(fù)極發(fā)出的電子和回到正極的電子數(shù)是相等的。普通的二極體，在發(fā)生電子－空穴對(duì)的復(fù)合是，由于能級(jí)差Eg的因素，釋放的光子光譜不在可見光范圍內(nèi)。
        電子在二極體內(nèi)部的路途中，都會(huì)因電阻的存在而消耗功率。所消耗的功率符合電子學(xué)的基本定律：
P ＝I2 R ＝I2（RN ＋＋RP ）＋I(xiàn)VTH
式中：RN 是N 區(qū)體電阻
VTH 是PN 結(jié)的開啟電壓
RP 是P 區(qū)體電阻
消耗的功率產(chǎn)生的熱量為：
Q ＝  Pt
式中：t 為二極體通電的時(shí)間。
        本質(zhì)上，LED 依然是一只半導(dǎo)體二極體。因此，LED 在正向工作時(shí)，它的工作過程符合上面的敍述。它所它所消耗的電功率為：
P LED = U LED × I LED
式中：U LED 是LED 光源兩端的正向電壓
I LED 是流過LED 的電流
這些消耗的電功率轉(zhuǎn)化為熱量放出：
Q＝P LED × t
式中：t 為通電時(shí)間
        實(shí)際上，電子在P 區(qū)與空穴復(fù)合時(shí)釋放的能量，并不是由外電源直接提供的，而是由于該電子在N 區(qū)時(shí)，在沒有外電場時(shí)，它的能級(jí)就比P 區(qū)的價(jià)電子能級(jí)高出Eg。當(dāng)它到達(dá)P 區(qū)后，與空穴復(fù)合而成為P 區(qū)的價(jià)電子時(shí)，它就會(huì)釋放出這么多的能量。Eg 的大小是由材料本身決定的，與外電場無關(guān)。外電源對(duì)電子的作用只是推動(dòng)它做定向移動(dòng)，并克服PN 結(jié)的作用。
         LED 的產(chǎn)熱量與光效無關(guān)；不存在百分之幾的電功率產(chǎn)生光，其余百分之幾的電功率產(chǎn)生熱的關(guān)係。透過對(duì)大功率LED熱的產(chǎn)生、熱阻、結(jié)溫概念的理解和理論公式的推導(dǎo)及熱阻測量，我們可以研究大功率LED的實(shí)際封裝設(shè)計(jì)、評(píng)估和產(chǎn)品應(yīng)用。需要說明的是熱量管理是在LED產(chǎn)品的發(fā)光效率不高的現(xiàn)階段的關(guān)鍵問題，從根本上提高發(fā)光效率以減少熱能的產(chǎn)生才是釜底抽薪之舉，這需要芯片制造、LED封裝及應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)技術(shù)的進(jìn)步。
      
       大功率LED照明光源需要解決的散熱問題涉及以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：
1、晶片PN結(jié)到外延層；
2、外延層到封裝基板；
3、封裝基板到外部冷卻裝置再到空氣。
        為了取得好的導(dǎo)熱效果，三個(gè)導(dǎo)熱環(huán)節(jié)應(yīng)采用熱導(dǎo)系數(shù)高的材料，并盡量提高對(duì)流散熱。LED發(fā)出的熱量通過導(dǎo)熱硅脂傳遞給散熱板，再通過鋁散熱器將絕大部分熱量通過輻射和對(duì)流的方式帶走到周圍的空氣中，將熱量排除，這樣就形成了從LED，然后通過導(dǎo)熱硅脂和鋁基板，到周圍空氣的散熱通路。材料熱傳導(dǎo)性能的一個(gè)很重要的指標(biāo)是熱阻，熱阻是指熱量傳遞通道上兩個(gè)參點(diǎn)之間的溫度差與兩點(diǎn)間熱量傳遞速率的比值：

Rth=△T/qx     （1）
其中：Rth=兩點(diǎn)間的熱阻（℃/W或K/W），△T=兩點(diǎn)間的溫度差（℃），qx=兩點(diǎn)間熱量傳遞速率（W）。在熱傳導(dǎo)模型的熱阻計(jì)算由下式給出：
       Rth=L/λS     （2）
        其中：L為熱傳導(dǎo)距離（m），S為熱傳導(dǎo)通道的截面積（㎡），λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/mK）
熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/mK）：是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1度（K，℃），在1小時(shí)內(nèi)通過1平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度（W/m·K，此處為K可用℃代替）。
從公式（2）可知，越短的熱傳導(dǎo)距離、越大的截面積和越高的熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)熱阻的降低越有利，這就要求設(shè)計(jì)合理的封裝結(jié)構(gòu)和選擇合適的材料。
        
        散熱器是led燈具很關(guān)鍵的一個(gè)部件,它的形狀、體積、散熱表面積都要設(shè)計(jì)得洽到好處,散熱器太小,led燈工作溫度太高,影響發(fā)光效率和壽命,散熱器太大,則消耗材料多增加產(chǎn)品成本和重量,使產(chǎn)品竟?fàn)幜ο陆?設(shè)計(jì)合適的led燈散熱器至關(guān)重要.散熱器的設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)部分:

    1.明確LED燈需要散熱的功率.

    2.設(shè)計(jì)散熱器用的一些參數(shù):金屬的比熱,金屬的導(dǎo)熱系數(shù),芯片熱阻、散熱器熱阻、周圍環(huán)境空氣熱阻等.

    3.確定采用散熱的類型,(自然對(duì)流散熱、強(qiáng)風(fēng)冷卻、熱管散熱,以及其它的散熱散熱方式.)從造價(jià)比較:自然對(duì)流散熱造價(jià)最低,強(qiáng)風(fēng)冷卻中等,熱管散熱造價(jià)較高,噴氣致冷造價(jià)最高.

    4.確定LED燈具許可的最高工作溫度(環(huán)境溫度加燈具許可溫升),

    5.計(jì)算散熱器的體積、散熱面積.并確定散熱器的形狀.

    6.將散熱器與LED燈組合成完整燈具,并通電工作八小時(shí)以上,在室溫39℃--40℃的環(huán)境下檢查燈具的溫度,看是否滿足散熱要求,以檢驗(yàn)計(jì)算是否正確,如不滿足使用條件,則要重新計(jì)算和調(diào)整參數(shù).

    7.散熱器與燈罩的密封要做到防水、防塵,燈罩與散熱器之間要墊抗老化的橡皮墊或硅橡膠墊,用不銹鋼螺栓緊固,做到密封防水、防塵。

解決LED燈散熱問題
1）散熱性
       目前，很多雙面板、多層板密度高、功率大，熱量散發(fā)難。常規(guī)的印制板基材如FR4、CEM3都是熱的不良導(dǎo)體，層間絕緣，熱量散發(fā)不出去。電子設(shè)備局部發(fā)熱不排除，導(dǎo)致電子元器件高溫失效，而金屬基印制板可解決這一散熱難題。
（2）熱膨脹性
        熱脹冷縮是物質(zhì)的共同本性，不同物質(zhì)CTE(Coefficient of thermal expansion)即熱膨脹系數(shù)是不同的。
       印制板是樹脂+增強(qiáng)材料（如玻纖）+銅箔的復(fù)合物。在板面X-Y軸方向，印制板的熱膨脹系數(shù)（CTE）為13~18 PPM/℃，在板厚Z軸方向?yàn)?0~90PPM/℃，而銅的CTE為16.8PPM/℃。片狀陶瓷芯片載體的CTE為6PPM/℃，印制板的金屬化孔壁和相連的絕緣壁在Z軸的CTE相差很大，產(chǎn)生的熱不能及時(shí)排除，熱脹冷縮使金屬化孔開裂、斷開，這樣機(jī)器設(shè)備就不可靠了。
        SMT（表面貼裝技術(shù)）使這一問題更為突出，成為非解決不可的問題。因?yàn)楸砻尜N裝的互連是通過表面焊點(diǎn)的直接連接來實(shí)現(xiàn)的，陶瓷芯片載體CTE為6，而FR4基材在X-Y向CTE為13~18，因此，貼裝連接焊點(diǎn)由于CTE不同，長時(shí)間經(jīng)受應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致疲勞斷裂。
        金屬基印制板可有效地解決散熱問題，從而使印制板上的元器件不同物質(zhì)的熱脹冷縮問題緩解，提高了整機(jī)和電子設(shè)備的耐用性和可靠性。
（3）尺寸穩(wěn)定性
        金屬基印制板，顯然尺寸要比絕緣材料的印制板穩(wěn)定得多。鋁基印制板、鋁夾芯板，從30℃加熱至140~150℃，尺寸變化為2.5～3.0%.
        利用金屬基電路板。由于具有優(yōu)異的導(dǎo)熱能力、良好的機(jī)械加工性能及強(qiáng)度、良好的電磁屏蔽性能、 良好的磁力性能。產(chǎn)品設(shè)計(jì)上遵循半導(dǎo)體導(dǎo)熱機(jī)理，因此不僅導(dǎo)熱金屬電路板(金屬PCB)：鋁基板、銅基板具有良好的導(dǎo)熱、散熱性。且綠色又環(huán)保，既解決熱的問題又解決污染環(huán)境的問題。
        
為了更好的解決散熱問題，LED和有些大功率IC需要用到鋁基線路板。

　　鋁基板pcb由電路層(銅箔層)、導(dǎo)熱絕緣層和金屬基層組成。電路層要求具有很大的載流能力，從而應(yīng)使用較厚的銅箔，厚度一般35μm~280μm;導(dǎo)熱絕緣層是PCB鋁基板核心技術(shù)之所在，它一般是由特種陶瓷填充的特殊的聚合物構(gòu)成，熱阻小，粘彈性能優(yōu)良，具有抗熱老化的能力，能夠承受機(jī)械及熱應(yīng)力。IMS-H01、IMS-H02和LED-0601等高性能PCB鋁基板的導(dǎo)熱絕緣層正是使用了此種技術(shù)，使其具有極為優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和高強(qiáng)度的電氣絕緣性能;金屬基層是鋁基板的支撐構(gòu)件，要求具有高導(dǎo)熱性，一般是鋁板，也可使用銅板(其中銅板能夠提供更好的導(dǎo)熱性)，適合于鉆孔、沖剪及切割等常規(guī)機(jī)械加工。工藝要求有：鍍金、噴錫、osp抗氧化、沉金、無鉛ROHS制程等。

　　基材:鋁基板產(chǎn)品特點(diǎn)：絕緣層薄，熱阻小;無磁性 ;散熱好;機(jī)械強(qiáng)度高產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)厚度：0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0mm 銅箔厚度：1.8um 35um 70um 105um 140um 特點(diǎn): 具有高散熱性、電磁屏蔽性，機(jī)械強(qiáng)度高，加工性能優(yōu)良。 用途: LED專用 功率混合IC(HIC)。

　　鋁基板是承載LED及器件熱傳導(dǎo)，散熱主要還是靠面積，集中導(dǎo)熱可以選擇高導(dǎo)熱系數(shù)的板材，比如美國貝格斯板材;慢導(dǎo)熱或散熱國產(chǎn)一般材料即可。價(jià)格相差較大，貝格斯板材生產(chǎn)出成品大概需要4000多元平米，一般國產(chǎn)材料就1000多元平米。LED一般使用電壓不是很高，選擇1mil厚度絕緣層耐壓大于2000V即可。

　　散熱參考設(shè)計(jì)方法：

　　為什么要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)?

　　高溫對(duì)電子產(chǎn)品的影響:絕緣性能退化;元器件損壞;材料的熱老化;低熔點(diǎn)焊縫開裂、焊點(diǎn)脫落。

　　溫度對(duì)元器件的影響:一般而言,溫度升高電阻阻值降低;高溫會(huì)降低電容器的使用壽命;高溫會(huì)使變壓器、扼流圈絕緣材料的性能下降, 一般變壓器、扼流圈的允許溫度要低于95C;溫度過高還會(huì)造成焊點(diǎn)合金結(jié)構(gòu)的變化—IMC增厚,焊點(diǎn)變脆,機(jī)械強(qiáng)度降低;結(jié)溫的升高會(huì)使晶體管的電流放大倍數(shù)迅速增加,導(dǎo)致集電極電流增加,又使結(jié)溫進(jìn)一步升高,最終導(dǎo)致組件失效。

　　熱設(shè)計(jì)的目的

　　控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度,使其在所處的 工作環(huán)境條件下不超過標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度。最高允許溫度的計(jì)算應(yīng)以元器件的應(yīng)力分析為基礎(chǔ),并且與產(chǎn)品的可靠性要求以及分配給每一個(gè)元器件的失效率相一致。

　　LED散熱設(shè)計(jì)一般按流體動(dòng)力學(xué)軟件仿真和做基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

　　流體流動(dòng)的阻力:由于流體的粘性和固體邊界的影響，使流體在流動(dòng)過程中受到阻力，這個(gè)阻力稱為流動(dòng)阻力，可分為沿程阻力和局部阻力兩種。

　　沿程阻力:在邊界沿程不變的區(qū)域，流體沿全部流程的摩檫阻力。

　　局部阻力:在邊界急劇變化的區(qū)域,如斷面突然擴(kuò)大或突然縮小、彎頭等局部位置，是流體的流體狀態(tài)發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。

　　通常LED是采用散熱器自然散熱，散熱器的設(shè)計(jì)分為三步 1:根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計(jì)處輪廓圖。 2:根據(jù)散熱器的相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進(jìn)行優(yōu)化。 3:進(jìn)行校核計(jì)算。

　　散熱器的設(shè)計(jì)方法

　　自然冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法

　　考慮到自然冷卻時(shí)溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個(gè)齒的熱邊界層易交叉,影響齒表面的對(duì)流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm,如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距≥1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。

　　自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱齒表面增加波紋不會(huì)對(duì)自然對(duì)流效果產(chǎn)生太大的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。

　　自然對(duì)流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強(qiáng)化輻射換熱。

　　由于自然對(duì)流達(dá)到熱平衡的時(shí)間較長，所以自然對(duì)流散熱器的基板及齒厚應(yīng)足夠，以抗擊瞬時(shí)熱負(fù)荷的沖擊，建議大于5mm以上。

        今天，白光LED仍舊存在著發(fā)光均勻性不佳、封閉材料的壽命不長等問題，無法發(fā)揮白光LED被期待的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)。但就需求層面來看，不僅一般的照明用途，隨著手機(jī)、LCD TV、汽車、醫(yī)療等的廣泛應(yīng)用，使得最合適開發(fā)穩(wěn)定白光LED的技術(shù)研究成果就廣泛的被關(guān)注。
       改善白光LED的發(fā)光效率，目前有兩大方向，一是提高LED芯片的面積，藉此增加發(fā)光量。二是把幾個(gè)小型芯片一起封裝在同一個(gè)模塊下。藉由提高芯片面積來增加發(fā)光量。
【文章出自電子元件技術(shù)網(wǎng)】