LED散热设计问题Word文件下载.docx
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一、LED芯片封装的散热设计：
很多时候厂家号称只要在热稳态时，你的LED光源铝基板背部温度小于60摄氏度时，那么LED光源的寿命可达到理论5万小时（实际的理论值是10万小时）。
但是很多时候我们在工程上应用会发现LED光源的衰减很快。
这是为什么?
主要原因是因为实际封装LED光源内部的节点温度超过了140摄氏度。
而实际内部LED晶片最高工作温度为145度。
也就是说如果你外部温度在60度了，实际内部晶片节点温度却超过了145度后LED光源产生衰减是非常快的。
因此在设计LED线路必须考虑更好的解决散热问题。
目前设计中主要是采用铝基板PCB做散热设计。
铝基板PCB由电路层（铜箔层）、导热绝缘层和金属基层等组成。
1、电路层要求具有很大的载流能力，因此要使用较厚的铜箔作电路，厚度约35μm~280μm;
2、导热绝缘层是PCB铝基板核心技术所在，它是由特种陶瓷填充的特殊聚合物构成，具有热阻小、粘弹性能优良、抗老化、可承受机械及热应力等特点。
目前的IMS-H01、IMS-H02、LED-0601等高性能PCB铝基板的导热绝缘层就是此项技术的应用。
因此该系列的PCB铝基板具有优良的导热性能和高强度的电气绝缘性能。
其工艺要求：
镀金、喷锡、OPS抗氧化、沉金、无铅ROHS制程等。
3、金属基层：
铝基板特点：
绝缘层薄、热阻小、无磁性、热容大、散热好;
铝基板作为LED及器件热传导，其散热主要还是依靠面积，集中导热可以选择高导热系数的板材即可。
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二、界面散热：
LED的热量导出来到散热结构上。
通常有用导热膏，焊锡，铝基板，导热绝缘垫等等材料，或热管等，将LED热量导到散热齿上，这部分就是产品的热阻设计，当然尽量减少产品热阻。
三、外壳散热器设计：
LED散热设计采用流体力学软件仿真以及做基础设计。
通常LED散热器的设计分为以下几步步：
A、根据实际需求以及相关约束条件设计轮廓图;
B、根据相关散热设计准则对散热器翅片的片厚、片形、间距以及基板厚度等进行优化;
C、使用热分析软件对其进行设计验证以及校核计算。
一般自然散热需要考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果片间距太小，两个片的热边界容易交叉从而影响到表面对流。
因此一般情况下，建议自然冷却的散热器片间距大于12MM，如果散热器翅片高低于10mm，可按照片间距>
=1.2片高来确认散热器的片间距。
因为自然冷却方式的散热器表面的换热能力较弱，在散热片表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，因此建议翅片表面无需增加太多波纹，可采用磷化处理来对表面做防腐处理还可以增大散热表面的辐射系数以增强辐射换热。
还有一点必须注意，由于自然对流达热平衡时间相对来说比较长，因此自然对流散热器的基板以及翅片应足够后以抗击瞬态热负荷的冲击。
目前还有LED灯具散热设计还有采用热管式以及加风扇强制对流式等方式。
其设计各有优点和劣势，可根据需要采用性价比比较佳的方案来进行设计。
四、灯具驱动器腔的散热设计：
目前国内的很多产品仅仅考虑到LED光源部分的散热，并没有考虑到驱动器部分的散热。
其实这是一个误区。
LED之所以能正常工作，除了散热方面外还与驱动器本身提供的恒流息息相关的。
目前大多数的驱动器的效率以及功率因素都不是特别高，细细数下来驱动器也应当算一个热源。
驱动器的中所采用的元件对温度的敏感性是影响驱动器工作的一个重要参考指标。
因此我们在设计的时候必须选择性能稳定可靠外，还需要考虑其最高工作温度以及其散热。
在这里就不多作叙述了。
总之，作为LED产品的应用，我们必须将其看做一个整体来进行系统性的散热设计，而不是单单的看作一个方面。
只有这样才能做出稳定可靠的产品。
高功率LED的散热设计与应用趋势
LED的光衰问题须透过辅助技术改善
LED虽是极具未来性的光源元件，即便具备寿命长优点，但依旧仍有其寿命限制，尤其是大功率的LED，因为其发光功率高，所加诸的电力大，工作时间超长，甚至还必须放置于户外应用，在环境与元件本身的诸多限制，往往令其使用寿命大幅降低。
过去在元件的概念都以为，LED至少都有10万小时寿命，其实目前的元件在实地应用时，却不见得能达到如此高标准的寿命表现，其实问题的核心就在LED的光衰现象，一般而言，如果不考虑线路或是电源电路的故障问题，LED元件本身若发光亮度降低至原有的30%以下，就可以视此LED元件达到不堪用的程度。
观察LED的光衰现象，可以从多个层面讨论，多数的白光LED是由蓝光晶粒LED搭配光学塑料掺杂黄色萤光粉所呈现，以白光LED为例，其光衰现象就可以从蓝光晶粒本身的光衰、与黄色萤光粉本身的光衰两部分所组成。
在萤光粉的光衰问题，其实对于温度的影响甚巨，而在晶粒的光衰问题，不同颜色的晶粒光衰现象亦有蛮大的差距，其光衰特性的差异视不同厂商、制程与萤光粉配方不同，都会影响其表现，很难用一致性的讨论来下定论，一般LED元件的光衰表现可透过LED的厂商的测试数据，检视其光衰曲线图大致确认元件特性。
元件温度将直接影响使用寿命
一般而言，LED的结面温度与发光效率是两组对立的数值，当结面温度增加，发光效率也会持续降低，以实验室的数据取一般LED为例作为参考，当结面温度持续自室温提升到100度时，发光效率将持续减低，最高可减少70%左右，如果取白光、蓝光、红光与黄光几种常见LED光色产品进行评估，会发现黄光LED受热造成的光衰现象更为显著。
同时，若将关注焦点移转至使用寿命部分进行微观检视，在测试数据可以很明显发现在70度高温上下运行时，LED的使用寿命即有75%衰退状况！
同理可证，若要让LED发光源能达到最佳化的应用表现，不管是发光效率的提升、还是使用寿命的延长，LED「散热」设计就成为相当重要的关键技术。
观察LED元件的结构特性
想了解LED的散热问题与待克服的技术瓶颈，就必须先针对LED结构特性进行观察，了解其运作是如何产生热源，与在不加诸任何辅助散热措施下，LED是透过何种方式处理所产生的热源。
基本上LED为电流驱动元件，发光的方式是于LED晶粒（Die）以共晶（Eutectic）、覆晶（Flipchip）或打金线的方式，把晶粒放置在基板上，而为了保护共晶、覆晶或打金线的线路与晶粒本身，外表覆上耐高温的透明材料、或是光学材料。
从结构上就能发现，除了LED外覆光学材料的表面可透过接触空气进行热交换的散热行为外，LED在发光过程所产生的热，亦可从晶粒上打的金线，直接传导至焊接的主机板散逸热源，此外，晶粒采共晶或覆晶所放置的Systemcircuitboard，透过表面接触的热传导效果，也可散出绝大部分产生的热源。
改善热阻强化LED散热效率
讨论LED散热效率前需先理解热阻（thermalresistance）问题，热阻是物体对热能传导的阻碍程度，在单位表示上为℃/W，检言之就是针对一个物体传热功率为1W，而导热物件两个端点的温度差异，即为该物件的热阻值，至于检视LED的热阻，则是讨论在LED开启发光后，当LED元件内的晶粒热量传导趋于稳定时，在芯片的表面以每1W进行散逸，在LED的晶粒P/N结点的联机或散热基板间的温度差异，就成为LED的热阻。
影响LED元件热阻的因素很多，例如，LED的晶粒线路连接方式、架构，到光学覆盖层的材料特性，都会影响LED热阻值，而降低LED也是提升元件寿命的重要手段。
此外，象是LED晶粒是采导热胶或金属直接相连，都会影响LED热阻大小。
高功率LED元件改善散热的处理手段
检视目前的LED散热改善手段的处理技术瓶颈，其实LED晶粒外部的光学材料所能改善的热交换效率有限，这是碍于勿理性的限制，改善幅度相当有限，反而是作为基板的Systemcircuitboard和晶粒上为了导通供应驱动电力的金线，算是可大幅改善LED元件散热效率的重要关键处，尤其是基础载板的散热效能改善，投入的改善措施其效益最为显著、实际。
而目前也有LED元件厂，尝试从金线下手，将金线距离缩短、线径增大，藉此提升LED核心晶粒的散热效能，但LED封装手法的改善效果有限，在成本与效益上仍未能如透过基础载板的散热改善措施来得更具效益。
而LED的散热措施，观察LED元件构造会发现，散热的关键会只剩下LED晶粒与元件本身承载晶粒的载板，与LED元件与安装于系统主机板上的电路载板两个改善手段，基本上承载LED晶粒的载板属于LED封装制程中可以介入控制的关键点，而LED元件与所安装的电路板载板散热关系，则是一般LED模块厂所关注的散热改善重点。
解决LED核心热源的散热处理方式
在LED晶粒基板部分，主要是将LED晶粒在发光过程所产生的核心热源，快速传导到外部的重要关键，一般基于散热考量，在高功率的LED元件方面，多数会采取散热效率相对较佳的陶瓷基板为主，目前有薄膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、厚膜陶瓷基板等基板制法，高功率会产生高热的高亮度元件，多数都采行低温共烧多层陶瓷或厚膜陶瓷基板，透过基础载台本身的高热传导效率，去提升将核心晶粒在发光历程所产生的高热，快速传导到元件外部。
从此可以理解，陶瓷散热基板可以说是能将LED元件本身的散热条件，一举提升的制程材料改善手段，也是目前高功率LED的制作方式，亦有必要针对此进行深入说明。
LED薄膜陶瓷基板
与低温共烧多层陶瓷、厚膜陶瓷基板基板技术不同的是，薄膜陶瓷基板则是采取溅镀手段或是化学沈积方式，或佐以黄光微影制程制作，其中，透过黄光微影会使线路精密度方面远远超越低温共烧多层陶瓷与厚膜陶瓷基板制作方式，而300度低温制程可避免陶瓷基板的体积变异问题，虽然优点较多，其制作成本也相对增加。
LED低温共烧多层陶瓷
低温共烧多层陶瓷基板技术是采取用陶瓷材料，作为基板基础材料的手段，制作方式是预先将相关线路透过网印手法印刷在基板表面，进而整合多层陶瓷基板制作，而最后的制程阶段则是应用低温烧结制作而成。
但低温共烧多层陶瓷基板的制作手段繁复，加上金属线路部分为采用网印方式处理，在对位误差和精确度部分仍会出现可能的技术限制，而多层陶瓷结构经过烧结制作过程，也会遭遇热胀、冷缩的问题，若想在低温共烧多层陶瓷基板上再应用需针对对位极为精准要求的覆晶制作LED元件产品，其终端产品的良率提升将是一大挑战。
LED厚膜陶瓷基板
厚膜陶瓷基板同样也是采取网印方式制作，其工法是预先将材料印制到基板表面，当印刷内容物干燥后，基板再经由烧结程序、雷射处理等步骤，完成厚膜陶瓷基板整个制作流程。
与低温共烧多层陶瓷一样，厚膜陶瓷基板一样会遭遇到精密度的问题，尤其是对位会有误差、线路型态较为粗糙，在产品不断要求集积化、小型化的趋势下，厚膜陶瓷基板的制作方式将会遭遇产品小型化的严苛挑战，同样在面对共晶、覆晶的制作需求时，厚膜陶瓷基板也会有对位与精确度的物理限制存在。
但前述也有提到，透过打金线的方式改善，再搭配特殊陶瓷基板的模式，对于LED元件散热具有相当大的效益，但金线连结的散热效能仍相当有限，近来也有多种解决方案针对此进行改善，例如采用具高散热系数的基板材料，如以碳化硅基板或矽基板取代传统的氧化铝材质，或改用氮化铝或阳极化铝基板等手段，藉此达到内部高效散热目的。
高功率LED元件模块厂的散热设计手段
而在系统电路板的部份，多半是模块厂著墨较多的改善角度，早期LED模块产品大多使用PCB材料作为架构基础，但实际上PCB材料的散热效率有限，近来针对高效能LED光源模块多数已逐渐导入具高效导热的金属基板材质取代PCB，例如铝基板（MCPCB）或是其它利用金属材料强化的应用基板，除了系统电路板本身的应用材质改变外，为了近一步强化散热与热交换效率，于模块外部也会采取设置铝挤型散热鳍片，或主动式散热风扇，透过强制气冷的手段强化加速热散逸的目的。
在LED元件的核心，也有尝试透过改善金线的制作逻辑，改用覆晶或共晶的模式将晶粒与外部进行连结，取得供应电源的设计方式，而透过此法所制成的LED元件，内部连接晶粒的导线从点的接触一举变成面的连结，热传导的基础条件大幅强化，自然也能加速内部的热源散逸到元件外部！
但共晶或覆晶的制程手段成本较高，对于基板的精密度要求极高，假若基板的平整度不佳，也会影响后段成品的良率表现，其技术成熟度仍需要时间考验。
LED散热设计学习笔记
（一）
一、LED原理：
利用注入式电致发光原理制作的，核心部分是P型半导体和n型半导体组成的晶片。
就是说在某些半导体材料的p-n结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换成光能。
现在用于制造白光LED的材料主要是氮化钙（GaN）。
蓝宝石是目前GaN基LED的主要衬底材料，工艺发展成熟。
二、散热重要性：
LED一般靠环氧树脂封装，它的导热能力非常差，热量只能靠芯片下面的引脚散出，目前，大功率的LED只能把约15%的输入功率转化成为光能，而其余85%转化成了热能。
芯片的热量散不出去，会加速芯片和荧光粉的老化，还可能导致倒装焊的焊锡融化，使芯片失效，而且当温度上升时，LED色度也会变差，引起一系列的恶果。
所以，为保证器件寿命，一般要求结温在110度以下，故散热对LED意义重大。
解决散热的方法主要有两种：
提高器件内量子效率，提高芯片的发光效率，从根本上减少热量的产生;
改进LED的散热结构，加快内部热量的散发，以有效地降低芯片的温度。
三、结温与热阻：
p-n结处的温度简称结温。
结温越低，表示芯片越安全。
热阻的一个定义：
在热平衡的条件下，芯片结温与环境的温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比。
热阻越小，表示相同的热耗散功率下，系统的散热性能越好，芯片结温与环境温差越小。
四、常用加快LED热量散发的方法
一、采用倒装焊：
以热导率较高的Si（或陶瓷）材料作为器件热传导的介质，通过倒装焊技术将LED芯片键合在Si衬底上。
与正装结构的LED相比，倒装焊芯片结构使器件产生的热量不必经由蓝宝石衬底，而是由焊接层传导至Si衬底，再经Si衬底和粘接材料传导至金属底座。
由于Si材料的热导率较高，可有效降低器件的热阻，提高其散热能力。
二、使用导热性能良好的粘接材料：
使用热导率更高的粘接材料，同时减小粘接材料层的厚度，可以显著降低倒装焊LED的热阻，提高器件的散热能力。
芯片与底部金属热沉的粘接部位存在较大温度差，说明此区域存在很大热阻，若能找到导热性能更好的粘接材料将有利于降低器件的热阻。
三、使用散热器：
目前常用的散热技术有风冷、水冷、微管道散热、热管技术等。
风冷散热器的原理很简单:
芯片耗散的热量通过粘接材料传导到金属底座上，再传导到散热片上，通过自然对流或强制对流把热量散发到空气中。
传导和对流是两种主要的传热方式。
1、
采用导热性能好的材料作散热器：
常用的散热器材主要是铝和铜。
2、
增大散热器的散热面积：
散热面积越大，其热容量越大。
为提高换热系数，可采用波纹状肋面制造紊流。
3、
强迫风冷：
选择合适的风扇或鼓风机，加快散热片周围空气的流动，可以改善气流组织，提高对流换热系数，从而改善散热效果。
水冷又称为液冷。
它的散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，且无风冷散热的高噪音，能较好地解决降温和降噪问题。
水冷散热装置大致可分为微型水泵、循环管、吸热盒和散热片四个部分。
图1-3所示。
水冷散热是一个密闭的液体循环装置，通过泵产生的动力，推动密闭系统中的液体循环，将吸热盒吸收的芯片产生的热量，通过液体的循环，带到面积更大的散热装置，进行散热。
冷却后的液体再次回流到吸热设备，如此循环往复。
吸热盒和散热片设计上多采用铜、铝或铜铝复合结构。
在吸热盒的设计中，流体与吸热盒之间的吸热盒壁应尽量薄，在吸热盒平行于加热片的剖面上，冷却液与吸热盒间隔壁面积之比应尽量大，加大传热面积。
为了减小吸热盒与芯片间的接触热阻，一方面尽量提高吸热盒底面表面光洁度;
另一方面在接触面之间涂以导热硅脂，安放吸热盒时使其一侧先与芯片接触，再过渡到整个表面，避免接触面之间留存空气。
选择冷却液时，必须对冷却液的热传递能力、冰点和粘度、沸点和分解温度、绝缘性能、腐蚀性、可燃性、毒性、费用等加以考虑。
常用冷却液有水、乙二醇溶液、盐水、硅油等。
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热管技术：
一种传热率极高的换热元件，冷、热流体间的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相恋过程耦合在一起的。
它的热导率可达金属的1000~10000倍。
单根热管的典型结构如图1-4所示，它由管壳、毛细多孔材料、工作液体和散热片组成。
将管内空气排除形成真空使填满毛细材料中的微孔充满液体并加以密封。
当蒸发段受热时毛细材料中的液体蒸发，通过绝热段流向冷凝段，蒸汽受到冷却凝结成液体，液体沿多孔材料靠毛细材料力的作用流回到蒸发段，如此循环，热量由热管壳传至热管芯，管芯再传给工质，工质再传给冷凝段，冷凝段通过冷凝作用再把热量散发出去。
微槽平板热管的典型结构如图1-_5所示。
在矩形金属平板内开出轴向的内腔，在内腔的一侧轴向加工出若干个微型槽道，将适量的工质充入具有一定真空度的热管内腔中并将两端密封。
槽道上部是连通的蒸汽腔。
当蒸发段受热时微槽中的工质蒸发，通过绝热段流向冷凝段，蒸汽受到冷却凝结成液体，液体沿微型槽道靠毛细力的作用流回到蒸发段，如此循环，热量由热管壳传至工质，工质再传给冷凝段，冷凝段通过冷凝作用再把热量散发出去。
由十功率LED用于照明等场合，控制成本十分重要，同时功率LED外部热沉的尺寸也不允许太大。
根据LED的特点，常使用风冷散热器和热管散热器，水冷散热器和微管道散热器也是很好的散热手段。
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