LED散热问题分析与应对方法研究

摘 要： 汽车灯具如前照灯功率大，而大功率LED只有约30%的输入功率转化为光能，其余的则变成了热能，使LED芯片温度升高，而高温对芯片的工作性能影响极大，会导致芯片射出的光子减少，从而降低光输出；严重影响荧光粉的特性而引起波长漂移，使色温质量下降导致颜色不纯；加快芯片老化，缩短器件寿命。问题制约了发光二极管在汽车照明中的普及。该文从芯片的封装材料（基板）及多芯片的排列方式这两个方面入手，旨在找到最优散热方案，经过实验，最终得出最优方案，达到了课题的预期目标。

关键词： 发光二极管； 高温影响； 节能型固体照明； 汽车前照灯

中图分类号： TN305.94?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）20?0020?04

Abstract： LED as a new generation of green environmental protection， low carbon， energy?saving solid?state lighting light source is more and more widely used in the field of lighting， but high power LED such as automobile headlamp has only about 30% of the input power to be transformed into light and the rest is changed into heat energy， which makes the LED chip temperature increased， influences the chip performance greatly， causes reduction of chip emission photons and light output， seriously affects the fluorescence powder characteristic caused by wavelength shift， results in a reduction of the color purity due to the decrease of color temperature quality， and finally accelerates the aging of the LED chip and shortens the service life of the whole device. This problem has restricted the popularization of LED in the automotive lighting. In this paper， the chip packaging material （substrate） and the arrangement of chips are researched to find out the optimal heat radiation scheme.

Keywords： light emitting diode； high temperature； energy?saving solid?state lighting； automotive headlamp

0 引 言

发光二极管LED（Light Emitting Diode），因其具有耗电量少、光色纯、全固态、质量轻、体积小、环保、响应速度快、光电转换效率高等一系列的优点，已经成为新一代绿色环保型固体照明光源，被称为21世纪新一代光源，其能耗仅为白炽灯的10%，荧光灯的50%。其能够显著降低电力消耗，减少CO2排放。正是LED的这些节能、长寿命和环保等优势，使它越来越广泛地应用到照明领域，更因其具有安全、不吸灰、无频闪、无不良眩光、启动无延时、柔性化等特点，受到汽车照明市场的青睐，被用作汽车灯具。一个200 W的LED灯的光效能约等于1 000 W卤素灯，其响应时间比钨丝灯快200～300倍，是刹车灯的最佳应用者，其使用寿命是HID（氙气灯）的10倍等，还具有前照灯防眩目及光色辨别强等特点。然而，LED也存在很多缺陷，这些缺点正制约着LED在汽车照明中的普及。

大功率LED其功率常在1 W，2 W，甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。LED发光时会有部分能量转化为热量，而大功率LED只能将约30%的输入功率转化为光能，而将其余的转化为热能 ，因此会使LED芯片温度升高，而温度对LED芯片的工作性能影响极大，高温会导致芯片出射的光子减少，从而降低光子输出，还会严重影响荧光粉的特性而引起波长漂移，使色温质量下降导致颜色不纯，同时，它会加快芯片老化、缩短器件寿命等。因此，为保证LED正常工作，必须将其散发出来的热量及时地散发出去。尤其是大功率多芯片模块构成的LED，热流密度可高达到106 W/m2以上，散热问题更为严峻，它已成为阻碍大功率LED光源发展的关键难题，成为大功率LED照明灯具生产厂家的发展瓶颈；当然，也制约了它作为汽车照明尤其是前照灯光源的普及应用。因此若优先掌握了大功率LED的散热技术，就占有了LED光源市场。

1 国内外研究现状及存在的问题

以往，日欧美是全球 LED白光技术的领导者，是最先进的照明用 LED制造中心，是首先将LED用作汽车前照灯光源的国家，我国台湾和韩国紧随其后，我国相对较落后，即使是LED最发达的珠江三角地区，也只是全球最大的 LED 封装基地，属于下游。但近10年来，在国家政策的扶持下，研究机构与企业合作，使LED技术有了突飞猛进的发展，基本实现了LED的本土化，为车用LED的发展奠定了基础。但目前汽车照明还只是用于内部照明（包括仪表、内部照明灯、电子指示灯等）和外部照明（包括刹车灯、尾灯、雾灯、方向灯、侧灯等），前照灯这种大功率照明因技术局限成本很高，应用很少，自丰田首次将LED应用于一款凌志车前照灯的近光灯照明开始，LED仅在一些高端车中使用，如Lexus，Audi，CadillacEscalade等。因此，要想在汽车大功率照明中普及，需要研制出能解决上述缺陷的低成本的LED。目前，越来越多的公司、技术人员正加大技术研发力度，以期推动LED在汽车照明市场的普及。如欧司朗、飞利浦等车灯供应商都正在致力于LED用作汽车照明的技术研发。

因单个LED芯片功率有限（目前单个最大功率为5 W左右），LED照明灯具大都采用多个LED芯片组合形成较大功率的照明结构，获得理想的照明强度以及照明范围，因此需要在同一个基板材料上集成多个LED芯片。为实现光强的均匀分布，需要对各LED芯片的位置进行优化设计。目前生产中，主要采用导热胶粘接的方式实现多个LED芯片与基板的粘连。该方法存在的主要问题是导热胶的热阻偏大，不能很好地将LED芯片所产生的热量及时散发出去，从而导致以上所提及的一系列热问题，长时间的热积累还会导致导热胶粘连失效。目前较为先进的工艺方案是采用共晶键合的方法来降低LED芯片与基板间的界面热阻，解决散热问题。具体方案为采用共晶钎料焊膏将LED芯片进行粘连定位，然后通过回流焊的方法将多个芯片与基板键合连接。而该工艺方案的弊端在于，回流焊过程中焊膏溶化，贴装在焊膏表面的LED芯片因缺少定位支撑，液态焊膏表面张力与重力的共同作用使得LED芯片发生不定向偏转或平面移动，导致各芯片之间的相对位置发生较大的偏差，从而影响整个LED照明结构的光强分布。目前较先进的是铜?陶瓷复合基板，它可以实现第一级热沉与陶瓷基板的集成。针对多LED芯片则采用一次键合的方法，使多个LED芯片能同时与陶瓷基板实现键合，降低芯片与基板的界面热阻，有利于芯片热量的散发，降低芯片工作温度，提升可靠性，并提高各芯片之间的相对位置精度，解决因芯片位置偏移导致的色显不均匀的问题。

为提高LED用作大功率照明时的光通量输出，一般采用将数十个LED串联或串并兼具的方式，这就要求供给40～60 V的电源或200 mA的恒流。而交流发电机发出的交流电经整流后由电压调节器控制其输出电压的上下限，使之维持在9～15 V，而且由于汽车电力系统是由机械式发电，实际电压的波动性会更大，如6 V的冷启动电压，40 V的瞬间电压，这会影响LED的正常发光，增加驱动电路这一环节不可避免。

由于LED发出的光呈兰伯特分布，故需要将发出光经过二次光学设计，以避免光的严重浪费。目前有一种技术正在成熟，它采用非成像光学理论、照明设计软件及计算机编程相结合的方法，即根据非成像光学中的经典的光学扩展度守恒及边缘成像原理得到透镜的曲面方程，接着用软件编程计算出自由曲面透镜的离散点，找到最佳聚光点，使所传递的能量最大化，获得符合照明要求的光照度分布。

在所提及的所有问题中，散热是首要问题。由于半导体制造技术的局限，输入LED的电功率只有30%左右转换成了光能，绝大多数则转换成了热能。这些热量若不及时排出，就会引起LED芯片本身的升温，从而引起一系列的问题：加速芯片老化、缩短其使用寿命；导致脱焊，造成接触不良，影响工作的稳定性；结温升高，出光率降低，光亮度减小；对于如今采用白光实现方案，将导致波长漂移而引起颜色不纯等。结温与使用寿命的关系如图1所示

目前主要方法有内部散热法和外部散热法2种。

内部散热法就是充分利用LED自身结构特点入手进行散热，如生产工艺、基板材料、封装法等，较为先进的工艺方案是采用共晶键合的方法来降低LED芯片与基板间的界面热阻，解决散热问题；至于LED基板材料，目前大功率LED封装基板传统封装材料及存在的问题如下：

（1） 金属芯印制板（MCPCB）：将导热系数高的金属（如铝、铜）装进PCB（印制电路板）内，导热系数为1～2.2 W/（m・K）；

（2） 金属绝缘基板（IMS）：将高分子绝缘层及铜箔电路以环氧树脂粘接方式直接与铝、铜板接合，导热系数为1.12 W/（m・K）；

（3） 金属基板（MB）：采用整块金属作基板，但限制使用正装结构芯片；

（4） 陶瓷基板（CS）：常用的是氧化铝基板，导热系数可达20 W/（m・K），但陶瓷润湿性差，实现金属化困难；

显然，主流技术面临着挑战。目前效果较好的是铜?陶瓷材料。

外散热法是指从LED芯片的外部入手进行散热，如水冷、风冷、金属制冷、半导体制冷等，但大多处于理论探讨或试验阶段。

2 研究内容

2.1 基板材料及结构

LED散热路径为芯片粘接材料基板导热硅脂散热器，如图2所示。

由图2可知，在封装时芯片是焊接在基板上的。

传统封装材料的热膨胀性能比较，如表1所示。由表1可知，金属和Si的热膨胀系数差别较大，长期工作在温度较高的环境下，易出现由热应力引起的热裂纹，严重影响可靠性。所以，本文考虑选用直接覆铜板（DBC）：即利用铜的含氧共晶将铜敷接到陶瓷上，导热系数可达24 W/（m・K）。

表1 传统封装材料的热膨胀性能比较

2.2 芯片间距

考虑到单个LED芯片功率有限（目前单个最大功率为5 W左右），LED汽车照明灯具大都采用多个LED芯片组合形成较大功率的照明结构，大功率多芯片模块如图3所示。为获得理想的照明强度以及照明范围，因此需要在同一个基板材料上集成多个LED芯片。但是，需要对各LED芯片的位置进行散热优化设计。

3 最佳方案实验

3.1 采用直接覆铜板

在此，需要实验出铜、陶瓷层的厚度各为多少，散热效果最好。为了解决这个问题，需要从陶瓷（氧化铝）和金属（铜）的热物理性质入手研究找答案，氧化铝与铜的热物理性能比较如表2所示，不同厚度DBC最高温度模拟实验如表3所示。

通过实验得出铜与陶瓷不同厚度的芯片温度如图4所示。

综上，DBC的铜层厚度适合采用0.3 mm，陶瓷厚度适合采用0.25 mm和0.38 mm，从可靠性角度考虑，由于陶瓷是脆性材料，因此选用0.38 mm的陶瓷厚度最佳。

选用基板形状：上下各是覆铜板，中间是陶瓷，最后得出LED的基板结构如图5所示。

3.2 芯片间距

多芯片固晶、键合如图6所示。涂覆荧光粉胶如图7所示。多芯片模块点亮测试如图8所示。

4 结 论

本文的初衷是从LED的基板材料与结构、芯片的阵列以及芯片间距这几方面入手，解决LED的散热问题。经过多次实验，最终找到了就目前而已最佳的散热基板材料与厚度：采用直接覆铜板的方法，即：基板呈铜?陶瓷?铜，厚度分别为0.3 mm?0.38 mm?0.3 mm，基板上的LED芯片呈阵列排列，彼此之间的间距为10 mm，这种内部结构形式能最有效地散去LED结温。显然，实验达到了本文的预期目的。

注：本文通讯作者为郭献洲。

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