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1、第三届国际新光源& 新能源论坛 3 一C h i n aI n t e r n a t i o n a lF o r u mO i lN o v e lL i g h t & E n e r g yS o u r c e s L E D 照明散热新材料技术应用 宁波市环球半导体照明技术工程中心茆学华 问题的提出：传统的L E D 采用环氧树脂封装，使用时电流一般在1 0 m A 左右，基本上不考虑热问题， 可以使用若干年。这就给L E D 决策者们一个错误的信号：L E D 不用考虑散热问题，是一个可以长期使用 的长寿命光源。事实上也是如此，世界各国花大投资研发L E D 前端产品。但当人们将
2、L E D 光源应用到 功能性照明的时候，这才发现，L E D 产品是这么地不听使唤，光衰、死灯，根本不能产业化。 在L E D 终端产品产业群中，出现了绝无仅有的奇怪现象，人们前仆后继地参与到L E D 照明产业中， 企业前仆后继地倒闭。最终只能将L E D 产品用于景观照明，既使有功能性照明的应用，也仅是试验应用， 根本不能称为真正意义上成熟商品。 那么，问题在那里呢? 一、L E D 功能性照明产品需要解决的核心问题 当L E D 用于功能性照明时，要求灯具有足够的功率，也就是需要大电流，高光效。而L E D 在光电 转换时，只有1 0 一1 5 的能量用于光转换，其余全部转化为热，既使
3、L E D 的光效达到2 0 0 1 m W ，这个 比例也不会变化多少。 L E D 是用P N 结来进行光电转换的，P N 结根本不能承受这部分热，需采用特殊技术来解决L E D 光 源热的出路。到目前为止，世界各国科学家为L E D 散热做了很多有益探索，但主要是在外观、结构上来 解决问题。但由于缺乏散热的基础材料，解决不了根本问题，这也是到目前为止，L E D 功能性照明不能 产业化的根本原因。 二、现有L E D 功能性照明所用散热材料的热学性能分析 1 、导热系数：导热系数是指在稳定传热条件下，l m 厚的材料，两侧表面的温差为1 度( K ，) ， 在单位时间内，通过1 平方米面
4、积传递的热量，单位为焦耳米度( w m K ，此处为K 可用代替) 。 需要特别指出的是，导热系数表征得是物体内部传热速率，而不代表物体外部散热的速度，也就是 说，导热系数高的物体，其散热速度不一定高。对于散热速度，或者更科学地说，吸收外界热量大，而 物体自身温升不高的，才是散热的最佳材料。 2 、比热容：单位质量的某种物质温度升高1 吸收的热量( 或降低1 释放的热量) 叫做这种物质 的比热容，简称：比热，用字母“c ”表示。 3 、现有L E D 封装特点分析 ( 1 ) 单颗3 V 2 0 m AL E D 采用环氧树脂封装分析 通过实践证明，该封装形式不能实现有效散热。当电流超过1 2
5、 m A 时，依靠插脚金属散不了热。环 氧树脂封装阻热，导致上部发光面的辐射热散不出；当电流不大时，有效光也发不出，可以确信，这种 封装形式不适用于功能性照明。 ( 2 ) 现有的单颗1 w 3 vL E D ，被认为是热设计较成熟的，但这种热设计有几大缺点：价格高，单 颗为1 2 1 5 元。由于是单颗1 wL E D ，大功率使用多颗时，其光分布不易解决。热问题依然没有得到 综合解决，发光面用透镜封住，辐射热散不出去，致使光衰严重。可以确信，其封装形式不是照明的主 流。 12 6 w w w i n l e s c o r nw w w c h i n a 1 e d n e t 提升照明
6、节能水平的技术途径 T e c h n i c a lM e t h o d st oI m p r o v eL i g h n n gE n e r g yS a v i n g ( 3 ) L E D 固晶胶问题：现有的固晶胶导热系数低予1 0 W ( m 。) ，传热速度低予L E D 芯片发热的速 度，形成热积累。绝缘程度低，只能用于3 6 V D C 以下光源，形成大电流光源，给配套电源设计带来 困难。由于热问题不好解决，只能做低功率光源。 ( 4 ) 共照技术最关键的是共晶材料的选择及焊接湿度的控制。新一代的I n G a N 齑亮度L E D ，如采用 共晶焊接，晶粒底部可戳采
7、用纯锡( S n ) 或金锡( A u S n ) 合金作接触褥镀层，晶粒可游接于镀有金域镟 的基板上。当基板被加热至适合的共晶滠度时，金或银元素渗透到金锡合金层，合金层成份的改变提高 溶点，令麸龋层固化并将L E D 紧固地焊于热沉或基板上。选择共晶温度要适合晶粒、基板及器件材料耐 热程度以及往后S M T 回婢制程时的温度要求。考虑共晶潮晶机台时，除高位置精度外，另一重要条件就 是有灵活两髓稳定麓湿度控制，加有氮气或混合气体装置，有助于在共晶过程中作防氧化徐护。姿然和 银浆固晶一样，要达至高精度的固晶，有赖于严谨的机械设计及高精度的马达运动，才能令焊头运动和 焊力控制恰到好处之余，亦无损高
8、产能及高良品率的要求。 进行共晶焊接工艺时亦可加入助焊剂，此技术最大的特点是无须额於附加焊力。故此，不会因圆晶 焊力过大露令遘多的共磊含金溢塞，减低L E D 产生短路鹃机会。 但金8 0 锡2 0 共晶焊的导热系数为5 7W ( m ) ，导热系数也偏低，不能将L E D 芯片的发出的热爱迅 速导走。 ( 5 ) 传统导热硅脂( 散热膏) 是用具有导热性能和绝缘性能的填料与有机硅脂混合丽成的白色膏状物， 雳嫠电子元爨件的热传递介质；C P U 与教热器填豫及热镑导；大功率三极管与铝、镶基材接触的缝隙处 的填充以及降低各类发热元件的工作温度。其导热系数褥0 8 、1 4 、1 8 和3 5 (
9、 w m k ) 等多种规格供客户 选择。其实L E D 如果使用此产品，必死无疑。 当导热系数只有0 8 3 5 W ( m ) 时，不仅不导热，反而成了光源与散热器之间的梗阻，阻碍热迅速 鳇导出。 硅胶由于热沉积离澄，在不长时间内就碳纯、硬化、老化，更成了名符其实的阻热层了。 ( 6 ) 我们可以得出一个结论：传统的导热、散热材料已不能适应L E D 导热、传热、散热的需求，而 急需采用与L E D 散热量相匹配的导热、传热、散热材料，来解决L E D 发热问题。 4 、新型L E D 导热、镗热、散热专孝料介绍 ( 1 ) 超级散热铝散热瓣的热分布测试 从图1 可看出超级散热铝散热器的热
10、分布均匀，是目前发现的热分布均匀性最好的材料之一。 ( 2 ) 经测试，热扩散与断热速度快，平均为3 5 秒，是铜热扩散速度的2 3 倍。每瓦用铝量为5 ，l o g ， 可节省用镪量9 0 。 ( 3 ) 合金超级散热材料，在3 - 6 秒钟内迭舅燕平衡，丽且重量只有传统散热器的1 1 0 。在裸露情况 下，超导散热器只有8 1 0 9 ；半封闭时，只需1 5 2 0 9 ，有效减轻了L E D 灯的重量。 ( 4 ) 经中科院上海硅酸盐研究所检验，其真比热为0 9 5 3 J ( g K ) ，是非纯铜0 2 J ( g K ) 的近5 倍。也就 是说，当外加热O 2 J ，l g 钢上丹
11、l K 华氏度；而外加热0 9 5 3 J ，l g 铝才上升l K 华氏度。 ( 5 ) L E D 传热材料奔缨 L E D 超级传热固晶胶，导热系数大于1 0 0 0 w ( M 。K ) ，可以使L E D 内的热量迅速导蹬。其超强的导热 性，为已知最好的导热胶的5 。7 倍，是普通导热胶1 5 W ( M K ) 的几百倍，是金锡共晶焊5 6 W ( M K ) 的数十 倍。其超强的绝缘性，又为封装高压L E D 打下了坚实的基础，可以有效避免L E D 低压大电流给L E D 电 源研发带来的困难。嚣前，我鑫】研发的L E D 壹滚电压可以达到2 5 0 - 3 5 0 V 。 6
12、 ) L E D 超级导热胶，导热系数大于1 0 0 0 w ( M K ) ，使L E D 外热迅速传递到散热片上。这种胶在3 0 时呈液态，其作用是填充晶格，而传统胶没有这种作用。 w w w i n l e s 。c o 热w w w e N n a - l e d n e t 12 7 。7 7 一一 图1 超级散热铝散热器的捕成像仪成象图 ( 7 ) 选2 大棱心拄术，都足以热学基础材料出虮的n J 以应用到目f 肯需璺散热处理的二艺环节，结 粜是所有L E D 灯其温井都小J ：4 5 。 ( 8 ) 热管 孜热器热城像 囤2 格臂散持器热成像目 从罔2 可以看出堪管导热竹导热速度
13、很快但由于使用等通敞热铝作为散热材料，其散热速度与 传热速度小匹配，导致热税累，有热阶梯卅舰。 ( 9 ) 大功率L E D 阵列( 光游) 解决的关键拄术 为了减小L E D 的光衰，延长使用寿命必须解决L E D 光源的散热问题。我们可制r 两种导热村料： 首先是将L E D 芯片吲定在L E D 的支架j ( 晶) 所计j 的导热材料。诚利料比F I 酊阿际l 域蚶的导热材 料的导热性能高1 0 倍，斟此可以封装5 0 W 、I O O W 、2 0 0 W L E D 光浦。爿外，还解决了L E D 光源与散 热器2 问的导热材料。该村料导热速度比丌前国际l 堆好的导热村料高l O 多
14、信，可大大减小L E D 光源 1 2 8 w l e s c o mw h ia 日dn o t 提升镕 节能水早的技术逢径 Y e c l l f i c t f lM e I l l 咄t 0I m 剐“n l l n gE u e r g ys a 的温升。此外我们还改进了散热器的材料，比传统锅材降低8 0 - 9 0 重量，使L E D 灯儿散热器的体积和 重量人人减小。 1 0 ) n 时我们制选的L E D 功能性照明灯具温度为4 5 C ，温升小于1 5 。包括3 0 - 1 0 0 W L E D 工矿 灯、卖场灯，3 01 2 0 W 的L E D 泛光射、园林照树灯，8
15、0 - 2 0 0 WL E D 路蚶- 3 W - 5 W L E D 球泡灯和 L E D 3 W G U 】W M R l 6 。 L E D I 矿灯、卖场灯，3 0 1 0 0 w 国螋 L E D 泛先灯、园林孵树灯3 01 2 0 W 、囝 L E D 路灯8 0 - 2 0 0 W 鼠。j 。一 3 W - 5 W L E D 球泡灯L E D 3 W G U I O M R l 6 综上所述，L E D 功能性 f f 明应用成功，必颁依赖于基础敞热材料的进步。我们在这方面进行了有益 探索希望能对L E D 照明做点贡献。 w w w i n l e sc o r n c h i n a l e dn e t 1 2 9
