关于LED封装散热技术

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1、关于LED封装散热技术关于LED封装散热技术前言：LED (Light Emitting Diode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接 把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负 极，另-端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起來。半导体晶片由两部分组 成，一部分是卩型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要 是电子。但这两种半导体连接起來的时候，它们之间就形成一个P-N结.当电流通过导线 作川于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光 子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光

2、的波长决定光的颜色，是由形成P-N结 材料决定的。LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的，LED的角度越小它的亮度越 高，没有什么超亮不超亮的，那是骗小孩的，如果是质量好的LED不管是哪家LED厂家生 产的人家的亮度都差不多的，只是生产T艺不一样，使用寿命略有不同，因为人家用的都 是那几家国外的LED芯片。如果是5MM的LED 180度角的白光的亮度只有几百MCD,如果是 15度角的亮度就要去到一力多两力MCD的亮度了，亮度相差好儿十倍了，如果是用于照明 用的，在户外最好是用人功率的LEDT,亮度就更高了，单个功率有1W, 3W, 5W,还有的是 用多个人功率组合成一个人功率的LED,功

3、率去到几百都有。依据Haitz定律的推论，亮度达1001m/W (每瓦发出100流明)的LED约在2008年； 2010年间出现，不过实际的发展似乎已比定律更超前，2006年6月H亚化学工业 (Nichia) L1经开始提供可达lOOlm/WH光LED的工程样品，预计年底可正式投入量产。Haitz定律可说是LED领域界的Moore定律，根据Roland Haitz的表示，过去30多年 來LED几乎每18;24个月就能提升一倍的发光效率，也因此推估未來的10年(2003年； 2013年)将会再成长20倍的亮度，但价格将只有现在的1/10.不仅亮度不断提升，LED的散热技术也一直在提升，1992年

4、一颗LED的热阻抗 (Thermal Resistance)为 360C/W,之后降至 125C/W、75C/W、15C/W,而今已是到了 每颗6C/旷10C/W的地步，更简单说，以往LED每消耗1瓦的电能，温度就会增加 360C,现在则是相同消耗1瓦电能，温度却只上升6C； 10C。少颗数高亮度、多颗且密集排布是增热元凶既然亮度效率提升、散热效率提升，那不是 更加矛盾？应当更加没育散热问题不是？其实，M当史严格地说，散热问题的加剧，不在 高亮度，而是在高功率；不在传统封装，而在新封装、新应用上。首先，过往只用来当指示灯的LED,每单一颗的点亮电流多在5mA;30niA间，典型而言则 为20m

5、A,而现在的高功率型LED,则是每单一颗就会有330mA;1A的电流送入，增加了十 倍、茯至数十倍。在相同的单颗封装内送入倍增的电流，发热自然也会倍增，如此散热情况当然会恶化， 但很不幸的，由于要将门光LED拿來做照相于机的闪光灯、要拿來做小型照明用灯泡、要 拿来做投影机内的照明灯泡，如此只是高亮度是不够的，还要用上高功率，这时散热就成 了问题。上述的LED应用方式，仅是使用少数几颗高功率LED,闪光灯约1 ;4颗，照明灯泡约1 ;8 颗，投影机内10多颗，不过闪光灯使用机会少，点亮时间不长，单颗的照明灯泡则有较 宽裕的周遭散热空间，而投影机内虽无宽裕散热空间但却可装置散热风扇。图中为InGa

6、N与AlInGaP两种LED用的半导体材料，在各尖峰波长（光色）下的外部量 子化效率图，虽然最理想下可逼近40%,但若再将光取效率列入考虑，实际上都在15%;25% 间，何况两种材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的范畴内，范畴之下的仅有20%.可是，现在还有许多应川是需要高亮度，但又需要将高亮度LED密集排列使川的，例如 交通号志灯、讯息广告牌的走马灯、用LED组凑成的电视墙等，密集排列的结果便是不易 散热，这是应用所造成的散热问题。更有菇考，在液晶电视的背光上，既是使用高亮度LED,也要密集排列，且为了讲究短小 轻薄，使背部可用的散热设计空间更加拘限，且若高标要求來看也不应使用散热风扇，因

7、 为风扇的吵杂声会影响电视观赏的品味情绪。统上，LED的调光是利川一个DC信号或滤液PWM对LED中的正向电流进行调节來完成 的。减小LED电流将起到调节LED光输岀强度的作用，然而，正向电流的变化也会改变 LED的彩色，因为LED的色度会随着电流的变化而变化。许多应用（例如汽车和LCD TV背 光照明）都不能允许LED发生任何的色彩漂移。在这些应用中，由于周囤环境中存在不同 的光线变化，而且人眼对于光强的微小变化都很敏感，因此宽范I羽调光是必需的。通过施 加一个PWM信号來控制LED亮度的做法允许不改变彩色的情况下完成LED的调光。散热问题不解决仃哪些副作丿IJ?好！倘若不解决散热问题，而让

8、LED的热无法排解，进而使LED的工作温度上升，如此 会有什么影响吗？关于此最主要的影响有二：（1）发光亮度减弱、（2）使用寿命衰减。 举例而言,当LED的p-n接面温度（Junction Temperature）为25C （典型工作温度）时 亮度为100,而温度升高至75C时亮度就减至80,到125C剩60,到175C时只剩40.很明显 的，接面温度与发光亮度是呈反比线性的关系，温度愈升高，LED亮度就愈转喑。温度对亮度的影响是线性，但对寿命的影响就呈指数性，同样以接血温度为准，若一玄 保持在50C以下使用则LED有近20, 000小时的寿命，75C则只剩10, 000小时，100C剩 5,

9、 000小时,125C剩2, 000小时,150C剩1,000小时。温度光从50C变成2倍的 100C,使用寿命就从20, 000小时缩成1/4倍的5, 000小时，伤害极人。裸晶层：光热一-体两血的发散源头：P-n接血关于LED的散热我们同样从最核心处逐层向外讨论，-起头也是在p-n接血部分，解决 方案一样是将电能尽可能转化成光能，而少转化成热能，也就是光能提升，热能就降低， 以此來降低发热。如果更进一步讨论，电光转换效率即是内部量子化效率（Internal QuantumEfficiency; IQE）,今H-般而言都已有70%90%的水平，真正的症结在于外部量子化 效率（External

10、 Quantum Efficiency;EQE）的低落。以Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED为例,Tj接面温度为25C,顺向驱动电 流为350mA,如此以InGaN而言，随着波长（光色）的不同，其效率约在5%27%之间,波 长愈高效率愈低（草绿色仅5%,蓝色则可至27%），而AlInGaP方血也是随波长而有变 化，但却是波长愈高效率愈高，效率人体从8%40% （淡黄色为低，橘红最高）。从Lumileds公司Luxeon系列LED的横切面可以得知，硅封胶固定住LED裸晶与裸晶上 的荧光质（若有用上荧光质的话）,然后封胶之上才有透镜，此芯片也可强化ESD静电防 护性，往

11、下再连接散热块，部分LED也直接裸晶底部与散热块相连。Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶实行覆晶镶嵌法，因此其蓝宝石基板变成在上 端，同时还加入一层银质作为光反射层，进而增加光取出量，此外也在Silicon Submount 内制出两个基纳二极管（Zener Diode），使LED获得稳压效果，使运作表现史稳定。由于增加光取出率（Extraction Efficiency,也称：汲光效率、光取效率）也就等于减 少热发散率，等于是一个课题的两面。裸晶层：基板材料、覆晶武镶恢如何在裸晶层血增加散热性，改变材质与几何结构再次成为必要的于段，关于此日前最 常用的两种方式是：1.换替基板（

12、Substmte,也称：底板、衬底，有些地方也称为的材 料。2.经裸晶改采覆晶（Flip-Chip,也称：倒晶）方式镶嵌（mount）。先说明基板部分，基板的材料并不是说换就能换，必须能与裸晶材料相匹配才行，现有 AlGalnP常用的基板材料为GaAs. Si, InGaN则为SiC、Sapphire （并使用AIN做为缓冲 层）。为了强化LED的散热，过去的FR4印刷电路板已不敷应付，因此提出了内具金属核心的 印刷电路板，称为MCPCB,运川更底部的铝或铜等热传导性较佳的金属來加速散热，不过也 因绝缘层的特性使其热传导受到若干限制。对光而言，基板不是要够透明使其不会阻碍光，因此再加入一个DB

13、R反射层來进行反 光。而Sapphire基板则是可直接反光，或透明的GqP基板可以透光。除此Z外，基板材料也必须具备良好的热传导性，负责将裸品所释放出的热，迅速导到 更下层的散热块（Heat Slug）上，不过基板与散热块间也必须使用热传导良好的介接 物，好因应从p-n接面开始，传导到裸晶表面的温度。除了强化基板外，另一种作法是覆晶武镶嵌，将过去位于上方的裸晶电极转至下方，电 极直接与更底部的线箔连通，如此热也能更快传导至下方，此种散热法不仅用在LED上， 现今高热的CPU、GPU也早就实行此道來加速散热。从传统FR4 PCB到金属核心的MCPCB将热导到更下层后，就过去而言是肓接运川铜箔印刷

14、电路板（Printed Circuit Board;PCB）来散热，也就是最常见的FR4印刷电路基板,然而随 着LED的发热愈來愈高，FR4印刷电路基板U逐渐难以消受，理山是其热传导率不够（仅 0. 36W/m. K）。MCPCB是指金属基印刷电路板（Metal Core PCB, MCPCB）,即是将原有的印刷电路板附 贴在另外一种热传导效果更好的金属上，可改善电路板层面的散热。不过，MCPCB也有些 限制,在电路系统运作时不能超过140C,这个主要是来自介电层（Dielectric Layer,也 称Insulated Layer,绝缘层）的特性限制，此外在制造过程小也不得超过250C?3

15、00C,这在过锡炉时前必须事先了解。MCPCB虽然比FR4 PCB散热效果佳，但MCPCB的介 电层却没有太好的热传导率，散热块与金属核心板间的传导瓶颈。但还是比FR4 PCB好 些,现有MCPCB已可达到3W/m. K,而FR4仅0. 3W/m. K.,所以才称为Metal CoreJ , MCPCB的热传导效率就高于传统FR4 PCB,达lW/m. K2. 2W/m. K.不过，MCPCB也有些限制，在电路系统运作时不能超过140C,这个主要是来自介电层 （Dielectric Layer,也称Insulated Layer,绝缘层）的特性限制,此外在制造过程中也 不得超过250C； 30

16、0C,这在过锡炉时前必须事先了解。IMS强化MCPCB在绝缘层上的热传导MCPCB虽然比FR4 PCB散热效果佳，但MCPCB的介电层却没有太好的热传导率，人体与 FR4 PCB相同，仅0. 3W/m. K,成为散热块与金属核心板间的传导瓶颈。为了改善此一情形，有业者提出了 IMS的改善法，将高分子绝缘层及铜箔电路以环氧方 式肓接与铝、铜板接合，然后再将LED配置在绝缘基板上，此绝缘基板的热传导率就比较 高,达1. l;2W/m. K,比之前高出3;7倍的传导效率。更进一步的，若绝缘层依旧被认为是导热性不佳，此作法很耐人寻味，因为过去的印刷 电路板不是为插件组件焊接而潘，就是为线路绕径而淆，如今却是为散热设计而淆。结尾除了 MCPCB、MCPCB+IMS袪之外，也有人提出用陶瓷基板，或者是所谓的玄接铜接合基 板，或是金属复合材料基板。无