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1、毕业综合实践报告题 目: LED封装与热设计 类 型： 研究类 专 业: _ 机电系 班 级: _ _ _学生姓名: _ 指导教师: _ _完成时间: I摘 要自LED从发展到今，LED制造工艺取得了很大的进步及开发很多新材料，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性的发展，同时大功率LED也取得了很大的发展成就，LED在实际应用中的优势伴随着使用范围的扩大而出现的不足和技术上的问题也亟待解决，LED因其体积小、安全可靠、耗电量低、使用寿命长、环保等优点，成为第四代光源指日可待。但是由于其光电转化率较低，大部分电能实际转化成了热量，所以如何提高其散热能力是LED急需解决的关键技术。而封装的设计直接
2、影响到LED的散热，所以LED封装是热设计重中之重。关键词：LED 封装 热设计II目录一 引言.11.1 LED发展史及其发展前景.21.1.1 LED发展史.21.1.2 LED发展前景.21.2 LED工作原理及其特性.31.2.1 LED的工作原理 .31.2.2 LED的特性 .4第一章小结.4二 LED 封装.52.1 LED封装.5第二章小结.6三 LED热设计基础.63.1 LED照明热的产生.63.2 LED结温及其对LED的影响.6 3.3 LED热阻.83.3.1 热阻对LED的影响.8 3.3.2 减少热阻的方法.93.4 LED散热的基本方法 .9 3.4.1传导.9
3、 3.4.2对流.10 3.4.3辐射.113.5 常用的加快散热方法 .11第三章小结.13四 大功率LED散热设计.13 4.1 大功率LED散热.144.2 大功率LED散热计算.144.3 大功率LED散热设计.154.4 大功率LED关键技术.174.5 大功率LED的发展趋势.18第四章小结.19五 总结和展望.20六 致谢.21七 后记.22参考文献 .23IV一 引言自1879 年爱迪生发明白炽灯，照明发展到今共经历了三次革命，被称为“第四代光源”的LED，是21世纪发展最快的高科技产品之一，LED因其体积小、安全可靠、耗电量低、使用寿命长、环保，与当代的节能环保相响应，得到了
4、政府的大力支持，随着我国绿色照明工程的组织实施，促进了LED照明技术的创新和发展，使得LED在照明领域得以广泛应用，未来的照明将会以LED为主流。LED作为一种半导体固体发光器件，较之其他发光器具有更长的工作寿命，通常可达到十万小时。如用LED替代传统的汽车用灯，那么它的寿命将远大于汽车本体的寿命，具有终身不用修理与更换的特点；LED是一种低压工作器件，因此在同等亮度下，耗电最小，可大量降低能耗。随着今后工艺和材料的发展，将具有更高的发光效率。体积小，重量轻、耐抗击：这是半导体固体器件的固有特点，所以LED可制作各类清晰精致的显示器件；用LED制作的光源不存在诸如水银、铅等环境污染物，不会污染
5、环境。因此人们将LED光源称为“绿色”光源。由于LED在其工作过程中只有15%25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED温度升高。在大功率LED应用中，散热技术是关键技术，它不仅影响LED的发光亮度，而且也直接影响LED构成系统的可靠性和寿命。本文通过对LED结构、发光原理及特性、LED封装、热设计的基础理论、散热方式等一系列的方面进行分析，对LED的设计进行一系列的优化，使LED在生产以及应用中能够更实用。1.1 LED发展史及其发展前景1.1.1 LED发展史自1879 年爱迪生发明白炽灯，照明发展到今共经历了三次革命，被称为“第四代光源”的LED，是21世纪发展最快的高
6、科技产品之一，LED因其体积小、安全可靠、耗电量低、使用寿命长、环保，与当代的节能环保相响应，得到了政府的大力支持，随着我国绿色照明工程的组织实施，促进了LED照明技术的创新和发展，使得LED在照明领域得以广泛应用，未来的照明将会以LED为主流。LED作为一种半导体固体发光器件，较之其他发光器具有更长的工作寿命，通常可达到十万小时。如用LED替代传统的汽车用灯，那么它的寿命将远大于汽车本体的寿命，具有终身不用修理与更换的特点；LED是一种低压工作器件，因此在同等亮度下，耗电最小，可大量降低能耗。随着今后工艺和材料的发展，将具有更高的发光效率。体积小，重量轻、耐抗击：这是半导体固体器件的固有特点
7、，所以LED可制作各类清晰精致的显示器件；用LED制作的光源不存在诸如水银、铅等环境污染物，不会污染环境。因此人们将LED光源称为“绿色”光源。由于LED在其工作过程中只有15%25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED温度升高。在大功率LED应用中，散热技术是关键技术，它不仅影响LED的发光亮度，而且也直接影响LED构成系统的可靠性和寿命。本文通过对LED结构、发光原理及特性、LED封装、热设计的基础理论、散热方式等一系列的方面进行分析，对LED的设计进行一系列的优化，使LED在生产以及应用中能够更实用。1.1.2 LED发展前景同一光效情况下，白炽灯可见光效率仅为10%-
8、20%，由于LED的光谱全部集中于可见光频率，所以效率可以达到50%以上，而成本也下降了90%，这些优势使LED市场得到蓬勃发展。目前LED已广泛应用在大面积图文全彩显示、状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光、汽车组合尾灯及车内照明等方面。LED被誉为21世纪新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。LED应用领域也逐渐壮大：1、LED显示屏的应用市场。我国LED显示屏市场起步较早，出现了一批具有很强实力的LED显示屏生产厂商。凭借着独特优势，LED全彩显示屏广泛应用在银行、证券交易所、医院、体育场馆、市政广场、车站、机场等场所。在LED需求量上，LED显示
9、屏仅次于LED指示灯名列第二。2、背光源市场。LED早已应用在以手机为主的小尺寸液晶面板背光源中，手机产量的持续增长带动了背光源市场的快速发展，特别是彩屏手机的出现更是推动了白光LED市场的快速发展。3、车灯市场。汽车应用市场还处于未发展阶段，市场规模也在不断扩大。LED作为车灯主要得益于低功耗、长寿命和响应速度快的特点。凭借着汽车产业的巨大产能，LED车灯市场有着巨大的发展潜力。4、室内装饰灯市场。室内装饰灯市场是LED的另一新兴市场。5、景观照明市场。目前LED已越来越多的应用到景观照明市场中，北京、上海等地已建成一批LED景观照明工程，这些工程在装饰街道的同时还将起到示范作用，将会使LE
10、D景观照明从一级城市快速向二级、三级城市扩展。6、通用照明市场。对于LED进入通用照明市场，功率型的白光LED除面临着发展效益低、散热不好、成本过高等问题外，还面临光学、结构与电控等技术的整合以及LED照明产品通用标准的制定问题，解决这些问题还需要一定的时间。1.2 LED工作原理及其特性1.2.1 LED工作原理发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。图1-1 LED发光原理PN结根据其端电压构成一定的势垒，
11、当正向偏置时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入，这些电子与价带上上的空气复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是PN结发光的原理。如图1-1所示。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结
12、面数微米以内产生。 理论和实践证明，发光的波长或频率取决于选用半导体材料的能量g，其大小用下式计算，单位为电子伏（eV）。 1240/Eg（mm） 式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光780nm红光），半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。1.2.2 LED的特性具有很多特征：电学特征、光学特征和热学特征等特征。电学特征中的I-V特征是表征LED芯片PN结性能的主要参数，LED的I-V特征具有非线性、单向导电性，即加正偏压表现为低电阻，反之为高电阻，如图1-2所示。图1-2 I-V特征曲线第一章小结：LED的基本知识是我们入门LED必备知识，它是我们深
13、入研究LED的基础。上文只分析了LED电学特性中的I-V特征，LED还有众多的特性，如光学特性：光强分布、发光峰值波长及光谱分布、光通量、发光亮度等，在此就不一一分析研究了。要研究LED的封装和散热问题，就必须要了解LED的众多特性，只有在了解LED的特性时才能更好地设计出优良的散热方案。二 LED封装2.1 LED封装LED发光的核心部分是P 型和N 型半导体构成的PN 结管芯,当注入PN 结的少数载流子与多数载流子复合时,就会发出可见光。但PN 结区发出的光子是非定向的,即向各个方向发射具有相同的几率, 因此, 并不是管芯产生的所有光都可以释放出来。光释放主要取决于半导体材料质量、管芯结构
14、及几何形状、封装内部结构与包封材料等几个方面, 应用中要求提高LED 的内、外部量子效率, 提高光输出量, 封装技术是不可或缺的环节,封装内部结构与包封材料必须做到尽可能多的光输出。LED 常采用环氧树脂和软性硅胶封装, 小功率LED多采用环氧树脂封装, 大功率LED 多采用软性硅胶封装。常规 5mm 型LED 封装是将边长0. 25mm 的正方形管芯粘结或烧结在引线架上,管芯的正极通过球形接触点与金丝键合为内引线, 与一条管脚相连,负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连,然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光,向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状,有
15、这样几种作用: ( 1 ) 保护管芯等不受外界侵蚀; ( 2 ) 采用不同的形状和材料(掺或不掺散色剂) ,起透镜或漫射透镜功能, 控制光的发散角; ( 3 ) 管芯折射率与空气折射率相关太大,致使管芯内部的全反射临界角很小,其由源层产生的光只有小部分被取出, 大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收,易发生全反射导致过多光损失,选用相应折射率的环氧树脂作过渡, 提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性、绝缘性、足够的机械强度、对管芯发出光的折射率和透射率高等性能。选择不同折射率的封装材料,封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的, 发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透
16、镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜,可使光集中到LED 的轴线方向,相应的视角较小; 如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型,其相应视角将增大。目前LED主要有以下几种封装方式：1、引脚式封装（Lamp LED）；2、平面式封装（Flat LED）；3、贴片式封装（SMD LED）；4、食人鱼形LED封装；5、大功率型封装；6、覆晶封装；7、板上芯片封装（COB LED）；8、 系统封装式（Sip LED）；第二章小结：LED封装是LED生产的重要环节，封装的好坏将直接影响到LED的性能和寿命，其中封装也是LED热设计中的核心设计。关于封装，第四章将会以大功率LED封装为例子，分析LED封装及
17、散热问题。三 LED热设计基础3.1 LED照明热的产生 LED发热的原因是所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化为热能。LED的光电转化效率大约只有20%30%。也就是说，大约70%的电能转变成了热能。3.2 LED结温及其对LED的影响 LED的基本结构是一个半导体PN结，实验指出，当电流流过LED元件时，PN结的温度将上升，严格意义上，把PN结的温度定义为LED结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。结温Tj是衡量LED封装散热性能的一个重要指标。结温的表达式为:Tj=RjaPd+Ta其中，Pd为耗散的功率，Rja为LED器件PN结与环
18、境温度的总热阻，Tj，Ta分别为LED器件PN结的结点温度和器件周围的环境温度。式中表明，同样大小的功率下，芯片结温升温越小，LED器件的性能越好。在LED工作时，可存在以下情况促使结温不同程度的上升：A、元件不良的电极结构，视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED元件的串联电阻。当电流流过PN结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。B、由于PN结不可能极端完美，元件的注入效率不会达到100，也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷(空穴)外，N区也会向P区注人电荷(电子)，一般情况下，后一类的电荷注人不会产生光电效
19、应，而以发热的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。C、实践证明，出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。目前，先进的材料生长与元件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能，然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的极大部分光子(90)无法顺利地溢出介面，而在芯片与介质介面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。D、LED元件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散热能力强时，结温下降，反之，散热能力
20、差时结温将上升。由于环氧胶是低热导材料，因此PN结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层，PCB与热沉向下发散。相关材料的导热能力将直接影响元件的热散失效率。一个普通型的LED，从PN结区到环境温度的总热阻在300到600W之间，对于一个具有良好结构的功率型LED元件，其总热阻约为15到30 W。巨大的热阻差异表明普通型LED元件只能在很小的输入功率条件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。结温对LED的影响： 结温对光通量的影响：当结面温度由25上升到100时，其发光效率将会衰减20%70%，其中又以黄光衰退75%最
21、为严重。当LED结温升高时，器件输出光强将逐渐减小。一般情况下，光通量随结温的增加而减小的效应是可逆的，即当温度回复到初始温度时，光通量会有一个恢复性的增长。 高温下器件性能衰变：在高温下，LED的光输出特性除去会发生可恢复性的变化外，还将随时间产生一种不可恢复的永久性衰变。对于同一类型LED器件，在相同的工作电流时，结温越高，器件的输出光强衰减的越快。环境温度越高，结温就越高，器件性能的衰减速率就越快，当环境温度确定后，器件工作电流越大，结温也将越高，器件的性能的衰减速率就越快。 结温对发光波长的影响：对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色，LED材料属II
22、I-IV族化合物，当温度升高时，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，颜色发生红移。降低LED结温的途径：A、减少LED本身的热阻；B、良好的二次散热机构；C、减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻；D、控制额定输入功率；E、降低环境温度。LED的输入功率是元热效应的唯一来源，能量的一部分变成了辐射光能，其余部分最终都变成了热，从而使LED的温度上升。显然，减小LED温升效应的主要方法是： 设法提高元件的电光转换效率（又称外量子效率），尽可能多地将输入功率转变成光能。 设法提高元件的热散失能力，使结温产生的热通过各种途径散发到周围环境中去。3.3 LED热阻3.3.1 热阻对LED的
23、影响在LED点亮后达到热量传导稳态时，芯片表面每耗散1W的功率，芯片pn结点的温度与连接的支架或铝基板的温度之间的温差就称为热阻Rth，单位为/W。数值越低，表示芯片中的热量传导到支架或铝基板上就越快。这有利于降低芯片中的pn结的温度，从而延长LED的寿命。热阻是沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比，对于LED来说，热阻一般是指从LED芯片pn结到翅片上的热阻。对于单个LED，设定PN结点生成的热沿着：结点翅片铝基散热电路板空气，这个热路径传导。采用等效电路的热阻计算，PN结点到环境的总热阻:Rja=Rjs+Rsb+Rba其中，Rjs，Rsb，Rba分别是从结点到翅片，翅片到散热电路板，
24、散热电路板到空气的热阻。热阻越小，表示相同的热耗散功率下，系统的散热性能越好，芯片结温与环境温度差越小。影响热阻的大小与以下因素有关：（1）与LED芯片本身的结构与材料有关。（2）与LED芯片粘结所用的材料的导热性能及粘结时的质量有关，是用导热性能很好的胶，还是用绝缘导热的胶，还是用金属直接连接。（3）翅片是用导热很好的铜，或者铝，而且与铜、铝的散热面积大小也有直接的关系。热阻越高，就会影响LED的性能和寿命，选用一定的材料与控制相关的技术细节，就可以降低LED的热阻，从而提高LED的寿命与工作效能。3.3.2 减小热阻的方法对于一个LED管，设法降低PN结与应用环境的热阻是提高器件散热能力的
25、根本途径。由于环氧胶是低热导材料，因此PN结处产生的热量很难通过透明环氧向上散热到环境中去、大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘结层、PCB与热沉向下发散。显然、相关材料的导热能力将直接影响器件的热阻与散热性能。表2-4-1 LED衬底材料的热导系数：材料SiAl2O3GaAsSiC热导系数（w/mk）75251849表2-4-2常用热沉材料的热导系数：材料碳铜黄铜铝合金金银锡锌纯铜纯铝纯铁热导系数（w/mk）36.739.210916231542742712139823681.1表2-4-1、表2-4-2 指出了若干常用的衬底与热沉材料的导热系数值。为减小LED的总热阻，应设法减小芯片PN
26、结到环境之间的距离，增大散热通道面积及采用高热导的材料。由表2-4-2可知，纯铜与纯铝是二种具有极高热导的适与制造LED支架与热沉的材料。材料确定后，散热通道的截面积与散热片表面积的大小决定了器件的总热阻。实验指出，散热面积越大，热阻越低。另外，通过风扇使环境空气产生了强制交换，也是减小热阻的有效途径。3.4 LED散热的基本方法3.4.1 传导气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。金属导体主要靠自由电子的运动来完成。非导电固体中的导热通过晶体结构的振动实现的。液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。热传导基本定理是傅里叶定理Q=A(Th/Tc)/ 式中：Q热流量，W；导热系数，W/(m
27、2 oC)；A为热量传递方向垂直面积，m2；Th与Tc高温与低温面的温度，oC/m；两个面之间的距离，m；负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。导热系数是表示物质导热能力的物理量。对于不同的物质，其导热系数各不相同，影响其数值大小的主要因素是物质的种类和温度等。热传导的改善： 减小热传路径长度； 芯片封装外壳在保证电机性能前提下尽量薄； 导热膏或者导热垫尽量薄；散热片的导热底尽量薄； 选用导热系数高的材料； 增加导热面积：散热片吸收底面积增加，芯片有效散热面积增大，纵向热阻减小；散热底板厚度增加，芯片有效散热面积增大，横向热阻减小。3.4.2 对流对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引
28、起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，且必然伴随着有导热现象。流体通过某物体表面时所发生的热交换过程，称为对流换热。若流体运动是借由温度差所造成的密度变化，产生浮力带动运动，此种热传送为自然对流；若是借由外在动力驱动流体运动将热带走，则称为强制对流，如风机等引起的。对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算：Q=hA(Th-Tc)式中：h对流换热系数，W/(m2oC)；A对流换热面积，m2； Th热表面温度，oC；Tc冷却流体温度，oC。表3-2 对流换热系数大致范围对流换热方式换热系数（W/（m2）空气自然对流110气体强迫对流10100水自然对流2001000热对流改善:1、 增加流过器件表面的风
29、速，增加流体换热系数（单位：W/m2.oC）； 2、增加有效换热面积。3.4.3 辐射辐射是指经由红外线、光及电磁波等从物体表面传递的方式。太阳的热量穿过真空宇宙到达地球，这也属于辐射。辐射中热量是否易于吸收和放出取决于表面的温度及颜色等。就颜色大体而言，黑色容易吸收，白色则较难。如果用数值表示，其数值范围是01。理论上讲，全黑物质为1，铝为0.050.5,铁为0.60.9,黑色树脂为0.80.9，这就是热辐射率（没有单位）。任意物体的热辐射能力表示为：F=Ao(TW4-TS4)式中：物体的黑度；o斯蒂芬.波尔兹常数（5.6710-8/mk4）;A辐射表面积，m2;T物体表面的热力学温度，K。
30、因为LED辐射散热比较少，在此就不加说明如何改善辐射散热。3.5 LED常用的加快散热方法LED常用的加快散热方法有采用倒装焊、使用散热器，使用导热性能良好的粘接材料等。一. 采用倒装焊为了提高功率型LED器件的散热能力和出光效率，产生了倒装焊芯片(flip-chip)结构。图3-5分别给出了目前常用的正装与倒装焊功率型LED芯片结构的示意图。倒装焊结构的特点在于以热导率较高的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
31、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。（a） 正面出光大功率LED芯片结构图 （b）倒装焊大功率LED芯片结构图1-GaN；2-蓝宝石；3-粘接材料；4-基板 1-蓝宝石；2-GaN ；3-焊接层；4-Si衬底；5-粘接材料；6-基板图3-5 正装与倒装焊LED芯片结构示意图二. 使用散热器目前常用于功率电子设备的散热技术有风冷、水冷、微管道散热、热管技术等。利用风冷散热器对电子芯片进行冷却是最简单、最直接、成本最低的散热方式。一般来说，空气冷却或强制风冷技术大多应用在低功耗或中等功耗的器件或电子设备中。目前，最好的散热是热管技术。风冷散热器的原理很简单：芯片耗散
32、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。要在允许的温度条件下将芯片耗散的热量传递到大气环境，可以采取下列方法加强传导和对流散热。1.采用导热性能好的材料作散热器：在常见的金属中，银的导热率最高，但是它的价格着实不菲。现在常用的散热器材料主要是铝和铜。铝价格便宜，密度小，好加工，导热性能良好。相比较而言，铜的导热率比铝的大，许多散热能力超强的散热器均采用纯铜打造。但铜材料价格昂贵、易氧化，加工成本高。目前出现铜铝复合型散热器，即底部为铜，散热片为铝，具有良好的散热性能和经济性。2.增大散热器的散热面积：散热面
33、积越大的散热器，其热容量越大。散热器的肋片越多，其散热表面积越大，这样热量可以散发得更快。不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。水冷散热的原理很简单，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
34、，如此循环往复。三使用导热性能良好的粘接材料无论采取正装焊或倒装焊，芯片都需通过粘接材料粘接到金属热沉上。采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。第三章小结：要提高LED的发光效率，LED系统散热与设计是一个很重要的课题，在了解散热问题之前，要先了解其散热途径，从而进行改善。LED的散热途径主要有以下几种，如图3-6所示。图3-6 LED散热途径 从空气中散热。 由系统的电路板导出。 由金线导出。 由通孔至系统电路板导出（共晶或覆晶制造过程）。因此在设计散热问题时可以着重考虑以上几种途径散热。散热并不是导热，对LED来说，基板的主
35、要功能是导热而非散热，将热传到空气中才叫散热。以上分析有说到可以用风扇作为散热器，但因为风扇转动无法节能，还会有灰尘堆积，这对LED来说是致命的损害，而且散热效果又有限，所以这种想法很难实施。LED散热途径最主要就有和，分别占散热比例为74%和18%。但经由电极金线散热因为金线短小细长也会有限制。所以一般的LED可以考虑用导热性比较好的铝或铜来做基板，还可以采用陶瓷做基板，基板材料的选择很重要，当然，无论哪一种设计，最主要的是考虑成本问题，只要散热成本低而且效果好，那么LED走进寻常百姓家的日子也就不远了。四 大功率LED散热设计随着新技术的开发，大功率LED发展迅猛，无论是在结构还是性能方面
36、都有很大的改进，产量增加、价格降低；同时也开发了超大功率白光LED。与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。例如，Edison公司前几年的20W白光LED，其光通量为700lm，发光效率为35lm/W。2007年开发的100W白光LED，其光通量为6000lm，发光效率为60lm/W。用大功率LED做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多。如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采用LED灯具，其一次性投资较高，但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。大功率LED的主要优势： LED芯片的价格降低到原来芯
37、片的几分之一。 现有产能增加几倍，而没有增加其它昂贵的设备投资，降低了风险。 提高了新扩产设备的生产能力。4.1大功率LED散热LED是个光电器件，其工作过程中只有15%25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是个大问题。例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是125），大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。另外，一般功率器件（如电源IC）的散热计算中，只要
38、结温小于最大允许结温温度就可以了。但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125低得多。其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响：TJ越高会使LED的出光率越低，寿命越短。4.2 大功率LED散热计算若结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,则RJA与TJ、TA及PD的关系为：RJA=（TJTA）/PD(1)式中PD的单位是W。PD与LED的正向压降VF及LED的正向电流IF的关系为：PD=VFIF(2)如果已测出LED散热垫的温度TC，则(1)式可写成：RJA=(TJTC)/PD+(TCTA)/PD 则RJC=(TJTC)/PD (3)RBA=(TCTA)/PD (4)在散热
39、计算中，当选择了大功率LED后，从数据资料中可找到其RJC值；当确定LED的正向电流IF后，根据LED的VF可计算出PD；若已测出TC的温度，则按（3）式可求出TJ来。在测TC前，先要做一个实验板（选择某种PCB、确定一定的面积）、焊上LED、输入IF电流，等稳定后，用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度TC。在（4）式中，TC及TA可以测出，PD可以求出，则RBA值可以计算出来。若计算出TJ来，代入（1）式可求出RJA。这种通过试验、计算出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。如果计算出来的TJ小于要求（或等于）TJmax，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的TJ大于要求的TJm
40、ax，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加PCB的散热面积。另外，若选择的LED的RJC值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使满足计算出来的TJTJmax。这些下面将会说明。4.3 大功率LED散热设计这里采用了国星光电股份有限公司的测量TC的实例中取部分数据作为计算举例。已知条件如下：图4-3-2 6070散热示意图图4-3-1 6070外观LED：2W白光LED、型号6070、RJC=18/W。K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。PCB试验板：双层敷铜板（6.07.0mm）、t=3.8mm。LED工作状态：IF=350mA、VF = 3.2V。按图4-3-2用K型热电偶点温度计测TC，TC=70。测试时环境温度TA =25. 图4-3-2 TC测量1. TJ计算TJ=RJCPD+TC=RJC（IFVF）+TCTJ=18/W（350mA3.2V）+70=90.162. RBA计算RBA=（TCTA）/PD =（702