LED照明散熱技術現(xiàn)狀及進展

LED以其體積小、耗電量低、環(huán)保、堅固耐用以及光源顏色豐富等特點。備受廣大用戶的青睞。但是目前LED照明的發(fā)展面臨的瓶頸之一就是散熱，本文將通過分析照明過程中的發(fā)熱問題對LED的影響，來引出散熱技術在LED照明中的重要性，并且就目前以及將來的散熱技術做概括和分析。 　　一、LED照明中存在的發(fā)熱問題以及影響 　　1．LED照明存在的發(fā)熱問題 　　在使用LED照明過程中，與使用傳統(tǒng)照明方式一樣，需要將電能轉換為光能。然而在這兩種方式中，沒有一種能夠完全地將電能轉換成光能，而且只能將少數(shù)部分的電能轉換成光能，其余大部分電能(60％一70％)在LED發(fā)光、照明的過程中轉化成了熱能。 　　尤其是對于大功率的LED器件及照明燈具來說，隨著功率的不斷增大，LED內部芯片的溫度也會逐漸上升，而且LED內部芯片以及其它器件的性能會隨著溫度上升而下降，甚至失效。最終導致LED器件無法工作。從根本上講，結溫的上升降低了PN結發(fā)光復合的幾率。表現(xiàn)在光源上就是發(fā)光亮度下降，產(chǎn)生了飽和現(xiàn)象。因此發(fā)熱問題是LED發(fā)展過程中亟待解決的問題。 　　2．發(fā)熱問題對LED的影響 　　在上面發(fā)熱問題中提到，發(fā)熱問題不僅會影響到LED器件的壽命，還能夠影響到發(fā)光亮度。經(jīng)驗證明，LED尤其是大功率LED的壽命主要依賴于芯片的結溫，溫度越高?？煽啃栽降?，工作壽命越短。因此不僅需要從LED材料、制作方式、封裝結構以及發(fā)光原理等方面綜合設計LED器件，更重要的是解決目前存在LED器件以及燈具中的散熱問題，選擇合適的封裝結構、合理的散熱方式，并應用到LED照明中。 　　二、LED照明散熱技術現(xiàn)狀 　　針對LED器件以及燈具在電能轉化為光能方面的局限性，提出了散熱技術這一概念。散熱旨在解決在LED照明過程中，除去電能轉化成的那一部分光能，由電能轉化成的熱量對LED內部芯片產(chǎn)生的影響(使得芯片性能下降、老化甚至失效)。 　　1、影響LED散熱的主要因素 　　影響散熱的主要因素有材料屬性(導熱率)、封裝結構、封裝材料、芯片尺寸、芯片材料、芯片上電流密度等。一般情況下，LED照明器件以及燈具是由芯片、電路基板、外部散熱器以及驅動器四部分構成。因此目前存在兩種散熱設計方案：一是減少LED 器件由電能轉化成熱能，實現(xiàn)過程需要通過提高LED內部器件的內量子效率，從而提高LED的出光效率，進而從內部解決LED在照明(使用)過程中產(chǎn)生的散熱問題；二面是從外部設計考慮出發(fā)，通過改變LED器件以及燈具的封裝材料或者封裝方式，以達到減小封裝熱阻的目的，有時還需要配置合適的散熱器來解決高結溫問題，進而實現(xiàn)延長LED器件的使用壽命。 　　2、目前存在的散熱方式 　　由于在技術方面的局限性，目前多采用改變LED照明器件的外部設計或者使用散熱器的方法來解決散熱問題。LED照明器件的散熱方式目前有很多種，可以分為封裝級散熱方式和燈具級散熱方式。封裝級散熱方式，顧名思義，它是通過優(yōu)化LED內部封裝結構以及材料來達到減小封裝熱阻的效果，主要分為封裝結構方面的硅基板倒裝芯片(FCLED)結構、金屬線路板結構等和材料方面的基于基板材料和粘帖材料的擇優(yōu)選取原則。 　　而燈具級散熱方式主要是指熱量從封裝基板到外部散熱器的傳遞過程中實施散熱的方式，主要分為被動散熱和主動散熱，主動散熱是指通過系統(tǒng)以外的能量驅動，將LED 內部芯片以及本身器件的熱量散發(fā)出去，主要包括加裝風扇強制散熱、液冷散熱、半導體制冷散熱、離子風散熱和合成射流散熱等；而被動散熱是指僅通過散熱器本身，將在LED照明過程中產(chǎn)生的熱量分散出去，達到降低結溫的效果，主要有直接自然對流散熱和熱管(平板熱管、環(huán)路熱管和翅片式熱管)技術散熱兩種。 　　3、幾種散熱方式舉例 　　(1)材料的擇優(yōu)選取原則 　　在采用這種散熱方式的前提就是封裝結構已經(jīng)確定，可以根據(jù)已經(jīng)確定好的封裝結構選擇最合適的封裝材料來提高系統(tǒng)導熱性能，進而減少LED照明器件的封裝熱阻，最終達到系統(tǒng)散熱的效果。封裝材料可以大致地分為基板材料、粘貼材料和封裝材料三種。 　　就基板材料而言，LED照明器件中涉及到的散熱技術要求基板材料具有高電絕緣性、高穩(wěn)定性、高導熱性以及芯片匹配的熱膨脹系數(shù)。常用的基板材料主要有硅、金屬(鋁、銅等)、陶瓷(A1N、SiC)和復合材料。 　　(2)液冷散熱 　　液冷散熱方式是一種利用液體在泵的強制帶動下流經(jīng)散熱器表面的方式，耗散熱量的散熱技術。美國廠商Etemaleds曾推出一種“水冷式”LED燈——Etemaleds HydraLux一。它采用液冷散熱方式，不僅省去了用于冷卻燈泡內部的散熱管、散熱片及風扇等，而且沒有在燈泡的上半部分包覆散熱材料，它的光放射角擴大到了360度，如圖1-1所示。 　　由上面的介紹可知，液冷散熱方式是一種主動散熱方式，然而液冷散熱方式在制作過程復雜且難于實現(xiàn)，價格高，不適用于高溫、震動等惡劣環(huán)境；而且在液冷散熱方式在LED照明器件應用中，要求密封高的液體循環(huán)致冷裝置，如果在生產(chǎn)過程中稍有不當，就會造成LED器件的損毀。 　　三、LED照明散熱技術的進展 　　隨著目前LED照明技術的日漸成熟，以及LED照明應用的普及，現(xiàn)有的散熱技術不僅是基于封裝結構、材料的，而且還有基于能量傳遞過程的。就封裝材料中的基板材料在近幾年中有了新的發(fā)展，且最新趨勢指向了對于硅基氮化鎵(GaN—on—Silicon)的研發(fā)。在與已有的藍寶石基板相比之下，硅基氮化鎵有以下特點：能夠減少熱膨脹差異系數(shù)，能夠強化LED發(fā)光強度，制造成本低、散熱效果顯著。因此硅基氮化鎵受到了LED生產(chǎn)商的青睞。 　　四、結語 　　與傳統(tǒng)的照明技術相比，LED并沒有完全取代傳統(tǒng)的光源，這是由于在LED照明技術方面仍存在著許多關鍵性問題，主要的瓶頸之一就是散熱問題。雖然現(xiàn)有的散熱方式有很多，但是還存在局限性，如實現(xiàn)困難，成本高、導熱性能差、環(huán)境要求高以及技術不成熟等。因此在LED照明散熱技術方面還有待深人研究和發(fā)展，以便為LED相關技術的成熟發(fā)展和LED的廣泛應用奠定基礎。