LED的散熱現在越來越為人們所重視，這是因為LED的光衰或其壽命是直接和其結溫有關，散熱不好結溫就高，壽命就短，依照阿雷紐斯法則溫度每降低10℃ 壽命會延長2倍。

　　從Cree公司發布的光衰和結溫的關系圖(圖1)中可以看出，結溫假如能夠控制在65°C，那么其光衰至70%的壽命可以高達10萬小時!這是人們夢寐以求的壽命，可是真的可以實現嗎?是的，只要能夠認真地處理它的散熱問題就有可能做到!

　　遺憾的是，現在實際的LED燈的散熱和這個要求相去甚遠!以致LED燈具的壽命變成了一個影響其性能的主要問題，所以必須要認真對待!

圖1. 光衰和結溫的關系

　　而且，結溫不但影響長時間壽命，也還直接影響短時間的發光效率，例如Cree公司的XLamp7090XR-E的發光量和結溫的關系如圖2所示。

圖2. 結溫和發光量的關系

　　假如以結溫為25度時的發光為100%，那么結溫上升至60度時，其發光量就只有90%;結溫為100度時就下降到80%;140度就只有70%。可見改善散熱，控制結溫是十分重要的事。

　　除此以外LED的發熱還會使得其光譜移動;色溫升高;正向電流增大(恒壓供電時);反向電流也增大;熱應力增高;熒光粉環氧樹脂老化加速等等種種問題，所以說，LED的散熱是LED燈具的設計中最為重要的一個問題。

[NT:PAGE]

　　第一部分：LED芯片的散熱

　　☆一 結溫是怎么產生的

　　LED發熱的原因是因為所加入的電能并沒有全部轉化為光能，而是一部分轉化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W，其電光轉換效率大約只有20~30%左右。也就是說大約70%的電能都變成了熱能。

　　具體來說，LED結溫的產生是由于兩個因素所引起的：

　　內部量子效率不高，也就是在電子和空穴復合時，并不能100%都產生光子，通常稱為由“電流泄漏”而使PN區載流子的復合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率，也就是轉化為熱能，但這部分不占主要成分，因為現在內部光子效率已經接近90%。

　　內部產生的光子無法全部射出到芯片外部而最后轉化為熱量，這部分是主要的，因為目前這種稱為外部量子效率只有30%左右，大部分都轉化為熱量了。

　　雖然白熾燈的光效很低，只有15lm/W左右，但是它幾乎將所有的電能都轉化為光能而輻射出去，因為大部分的輻射能是紅外線，所以光效很低，但是卻免除了散熱的問題。

　　☆二 LED芯片到底板的散熱

　　LED芯片的特點是在極小的體積內產生極高的熱量。而LED本身的熱容量很小，所以必須以最快的速度把這些熱量傳導出去，否則就會產生很高的結溫。為了盡可能地把熱量引出到芯片外面，人們在LED的芯片結構上進行了很多改進。

　　為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的改進就是采用導熱更好的襯底材料。早期的LED只是采用Si硅作為襯底。后來就改為藍寶石作為襯底。

　　但是藍寶石襯底的導熱性能不是太好，(在100°C時約為25W/(m-K))，為了改善襯底的散熱，Cree公司采用碳化硅硅襯底，它的導熱性能(490W /(m-K))要比藍寶石高將近20倍。

　　而且藍寶石要使用銀膠固晶，而銀膠的導熱也很差。而碳化硅的唯一缺點是成本比較貴。目前只有Cree公司生產以碳化硅為襯底的LED。

圖3. 藍寶石和碳化硅襯底的LED結構圖

　　采用碳化硅作為基底以后，的確可以大為改善其散熱，但是其成本過高，而且有專利保護。最近國內的廠商開始采用硅材料作為基底。因為硅材料的基底不受專利的限制。而且性能還優于藍寶石。

　　唯一的問題是GaN的膨脹系數和硅相差太大而容易發生龜裂，解決的方法是在中間加一層氮化鋁(AlN)作緩沖。

　　LED芯片封裝以后，從芯片到管腳的熱阻就是在應用時最重要的一個熱阻，一般來說，芯片的接面面積的大小是散熱的關鍵，對于不同的額定功率，要求有相應大小的接面面積。也就表現為不同的熱阻。幾種類型的LED的熱阻如下所示：

　　早期的LED芯片主要靠兩根金屬電極而引出到芯片外部，最典型的就是稱為ф5或F5的草帽管，它的散熱完全靠兩根細細的金屬導線引出去，所以散熱效果很差，熱阻很大，這也就是為什么這種草帽管的光衰很嚴重的原因。

[NT:PAGE]

　　此外，封裝時采用的材料也是一個很重要的問題。小功率LED通常采用環氧樹脂作為封裝材料，但是環氧樹脂對400-459nm的光線吸收率高達45%，很容易由于長期吸收這種短波長光線以后產生的老化而使光衰嚴重，50%光衰的壽命不到1萬小時。

　　因而在大功率LED中必須采用硅膠作為封裝材料。硅膠對同樣波長光線的吸收率不到1%。從而可以把同樣光衰的壽命延長到4萬小時。

　　下面列出各家LED芯片公司所生產的各種型號LED的熱阻

　　由表中可見，Cree公司的LED的熱阻因為采用了碳化硅作基底，要比其他公司的熱阻至少低一倍。大功率LED為了改進散熱通常在基底下面再放一塊可焊接的銅底板以便焊到散熱器上去。這些熱阻實際上都是在這個銅底板上測得的。

　　是不是碳化硅就是LED襯底的最佳選擇呢，不是這樣，任何事物都會有創新和發展的，最近臺灣的鉆石科技開發出了鉆石島外延片(Diamond Islands Wafer，DIW)做為生產超級LED的基材。

　　這種LED的熱阻可以低至<5°C/W。用它制成的超級LED可發出極強的紫外光，其強度不因高溫而降低，反而會更亮。

　　其結構圖如圖4所示。

圖4. 采用類鉆碳(Diamond Like Carbon，DLC) 的鍍膜可以大大改善LED的散熱

圖5. 用DLC鍍膜和鋁結合可以比其它結構的LED有更好的散熱特性

　　而且采用紫外線來激發各種熒光粉也可以得到所需要的各種顏色的LED。而且熒光粉不是采用和環氧樹脂或硅膠混合的方法而是直接涂于芯片表面還可以避免由于環氧樹脂和硅膠的老化而產生的光衰。

　　這將會使整個LED產生革命性變化。而且擺脫了日美等國的專利束縛。

[NT:PAGE]

　　☆三 集成LED的散熱

　　現在有不少廠商把很多LED晶粒集成在一起以得到大功率的LED。這種LED的功率可以達到5W以上，大多以10W，25W，和50W的功率等級出現。

　　為了把多個LED晶粒(以共晶(Eutectic)或覆晶(Flip-Chip)封裝)連接在一起，因為這些晶粒極為精細，所以需要采用精確的印制電路進行連接。

　　為了得到更好的散熱特性，通常采用陶瓷基板。這種陶瓷基板是由氧化鋁和氮化鋁構成。各種材料的導熱系數如下表所示。

　　不論氮化鋁還是氧化鋁，它們都是一種絕緣的陶瓷材料，所以可以把印制電路做在上面。但是氮化鋁具有高10倍的導熱系數，所以現在更常用氮化鋁。過去采用厚膜電路，但是其表面不平，電路邊緣毛糙，而且需要800°C以上的燒結溫度。

　　現在大多采用薄膜電路，因為它只需要300度以下的工藝，表面平整度可以<0.3um，不會有氧化物生成，附著性好，電路精細，誤差低于+/-1%。它實際上是采用照相刻蝕的方法來制作，采用氧化鋁為基底的薄膜電路制備的具體過程如下：

圖6. 薄膜電路的制備過程

　　采用氮化鋁的制作方法相同。

[NT:PAGE]

　　第二部分：LED燈具的散熱

　　前面講的是LED芯片的散熱，然而任何LED都會制成燈具，所以LED芯片所產生的熱量最后總是通過燈具的外殼散到空氣中去。如果散熱不好，因為LED芯片的熱容量很小，一點點熱量的積累就會使得芯片的結溫迅速提高，如果長時期工作在高結溫的狀態，它的壽命就會很快縮短。

　　然而這些熱量要能夠真正引導出芯片到達外部空氣，要經過很多途徑。具體來說，LED芯片所產生的熱，從它的金屬散熱塊出來，先經過焊料到鋁基板的PCB，再通過導熱膠才到鋁散熱器。

　　所以LED燈具的散熱實際上包括導熱和散熱兩個部分。現在先來看一下每一個環節的導熱性能。

　　☆四 各種電路基板的導熱

　　在把LED連接到散熱器之前，首先要把它們焊接到電路中去，因為首先要把這些LED連接成幾串幾并，同時還要把他們和恒流源在電路上連接起來。最簡單的辦法是把它們直接焊接到普通印制板上去。

　　對于一些很小功率的LED，例如LED指示燈的確是可以這樣做的。但是對于大多數高亮度和高功率LED來說，普通玻璃纖維印制板的導熱性能就顯得太差了，而必須改成用銅基板或鋁基板甚至陶瓷覆銅板。各種基板的性能如下：

　　4.1、鋁基板

　　目前幾乎絕大多數的LED燈具中都采用了鋁基板。鋁基板上電路的銅箔為了要導電和導熱要有足夠的厚度和寬度，其厚度在35μm-280μm之間。其寬度最好盡可能布滿整個基板，以便把熱傳下去。而下面一層絕緣體則要求其絕緣性能很好，而且還要導熱性能很好。

　　然而這兩個性能是矛盾的，通常都是導體的導熱性能好，而絕緣體的導熱性能差。又要導熱好又要絕緣好是很難做到的。也是一種科研的課題。目前采用的是一種摻有陶瓷填充物的改性環氧樹脂或環氧玻璃布粘結片。通過熱壓把銅箔絕緣體和鋁板粘結起來。

　　有一些LED燈具，雖然散熱器是經過精心設計，但是很快就壞，問題就是出在采用了熱阻很大的鋁基板或是剝離強度很差的鋁基板。用一段時間，電路薄膜就翹了起來，也就完全無法導熱，很快就燒壞LED。

　　對于優質鋁基板通常要求其熱阻小于1°C/W。下表是某種鋁基板的規格：

　　國外和臺灣已經能夠生產一種“全膠鋁基板”。所謂全膠是指它的絕緣層完全不用絕緣布，而是用一種絕緣膠。采用絕緣布的鋁基板的熱阻實際上通常在 1.7-3.2°C/W。 而采用全膠的鋁基板的熱阻可以做到0.05°C/W，市場**的商品也可以低至0.2-0.5°C/W。

[NT:PAGE]

　　一種性能更好的鋁基板是采用直接在鋁板上生成陶瓷印制電路。先在鋁的表面用微弧氧化生長一層100μm厚的氧化鋁薄膜，再用濺射或絲網印刷制作電路層。

　　采用這種方法的最大優點是結合力強，而且導熱系數高達2.1W/m.K，而且氧化層的熱膨脹系數和鋁差不多，所以它的剝離強度高達5N/mm以上。只是因為這種陶瓷鋁基板的加工制造過程復雜，成本高，所以還很少采用。

　　雖然鋁基板只是一種特殊的印制板，但是它卻承擔著很重的散熱任務，不僅絕緣層的導熱要好，粘結要牢，而且它的外形還必須和散熱器的外形配合，例如，在路燈里，通常是長方形的外形，在射燈中，通常是圓形的，而在日光燈中，通常是長條形的。

　　為了得到更好的導熱性，也有時采用導熱更好的銅基板，只是其價錢要更貴。而且最后還是要連接到鋁制散熱器上去。有可能會產生熱膨脹系數不同而裂開的問題。

　　4.2、導熱膠和導熱雙面膠帶

　　鋁基板雖然已經解決了從LED連接到以鋁板為基板的電路上，可以把熱傳遞到鋁板上，但是遺憾的是，這個鋁板往往還不是最終的散熱器，通常還要把這個鋁板連接到真正的散熱器上去。

　　最簡單的方法就是用鉚釘或螺釘的方法連接到散熱器。但是這種方法往往會形成空氣隙，而很小的空氣隙產生的熱阻會比其他熱阻大幾十倍。因為空氣的導熱系數為0.023W/m·k。

　　所以必須涂上導熱膠來填充空隙。一般的導熱硅膠的導熱系數大約在1-2W/m·k。

　　但是導熱膠必須要流動性好，不然的話由于涂抹不均勻仍然會產生氣隙，可能比不用還壞。導熱膠的另一個缺點是本身的粘性不足以把鋁基板固定在鋁散熱器上。

　　所以另一種方法是采用有很強黏結性而又導熱的雙面膠片。這種導熱膠片是使用丙烯系列材料制造出來帶有粘性的熱傳導片，它是屬于有粘性和低熱抵抗的散熱材料。而且具備熱傳導性和柔軟性，可以緊貼零件上的凹凸部位，從而防止了氣隙的存在。

　　導熱硅膠片的導熱系數通常在2-3W/m·k之間。它的抗拉強度可達8kg/cm2。足以黏結鋁基板和鋁散熱器。耐壓可達4KV/mm。

　　4.3、柔性印制板

　　從鋁基板的構造人們一定會產生這樣的疑問，為什么印制電路要先粘到一個薄鋁板上而不是直接粘到散熱器上?這樣還可以省去鉆孔、涂導熱膠、擰螺釘等工序，而且還可以省掉導熱膠的熱阻。

　　主要原因是散熱器的形狀一般不是簡單的平面，要熱壓黏結比較困難，而且散熱器是由燈具廠設計制造的，而鋁基板則是由印制板廠制造的。解決這個問題的方法是采用柔性印制板再貼到鋁散熱器上去。

　　4.4、LED直接焊到鋁散熱器上去。

　　這是一種更為革命的徹底解決方法。對于1W以上的大功率LED，通常它的散熱銅底板是和兩個電極是絕緣的。為了使它能夠更直接散熱，最好把它的散熱底板直接和散熱器焊接在一起。

　　可是一般的散熱器都是鋁合金制成的，是無法焊接的。如果采用銅散熱器當然可以解決這個問題，但是無論是價錢和重量都是無法接受的。

　　一個簡單的解決方法是在鋁散熱器上噴鍍銅。然后再在柔性印制板上打洞，使得LED的銅底板直接暴露在散熱器面上，然后采用低溫焊錫進行焊接。這種方法可以免除掉鋁基板的熱阻和導熱硅膠或硅片的熱阻。從而大大提高了散熱效率。

　　總之，LED到散熱器之間的界面越少越好。

[NT:PAGE]

　　☆五 熱管導熱

　　在很多場合需要把LED所產生的熱量以最快的速度傳送到散熱器，這在采用集成式的單片大功率LED中尤其重要，因為它的熱量很大(功率可達50W-100W)又很集中(有時只有30mm)，這時候就必須采用熱管散熱。

　　熱管也稱為相變導熱器，因為在其中的液體從液相變為氣相而導熱。它的熱阻非常小，大約只有0.065°C/W。

圖7. 熱管導熱原理

　　其內壁采用銅粉燒結，以利于變回液相的載熱體吸附其上而回流。然而，熱管只能把熱傳送到遠端，而并沒有把熱量散發到空氣中去。所以即使采用熱管，還是需要有普通的鋁散熱器把熱量散發出去。

　　再次要提醒注意的是，采用銅熱管以后，要特別注意它和前端的鋁基板以及后端的鋁散熱器的結合部一定要互相緊密地接觸并防止由于熱膨脹系數的不同而脫開。在其結合部要采用高質量的導熱硅膠涂敷。

　　導熱效果更好的是回路熱管

圖8. 回路熱管

　　回路熱管的最大優點就是它的不需要外加動力裝置就可以循環導熱、導熱距離長，傳送功率大(幾百瓦)，形狀多樣性和不受重力要求的限制，也就是說它可以任意放置。臺灣的陽杰科技公司采用了回路熱管技術以后，150W的LED路燈重量只有8.5公斤，100W的LED路燈，重量只有5.5公斤。

[NT:PAGE]

　　☆六 系統的熱阻

　　各部分的導熱能力也可以用系統的熱阻來說明，一個LED燈具的結構圖見圖9。

圖9. LED燈具的散熱結構圖

　　從圖中可以看出，LED芯片所產生的熱，從它的金屬散熱塊出來，先經過焊料到鋁基板的PCB，再通過導熱膠才到鋁散熱器。而要定量地了解LED芯片的散熱過程，最好利用熱阻的概念。

　　熱量就好像電荷，熱量流動起來就好像電流，流動的過程中會遇到阻力，就好像電阻，在這里我們稱之為熱阻。熱阻的單位為每瓦多少度(°C/W)，也就是每流過1瓦的功率會上升多少度。

　　如果知道所需耗散的功率，又知道其熱阻，就可以知道它的溫升是多少。熱阻越大，熱量越流不動，溫升就越高，熱阻越小，熱量流動越快，溫升就越小。

　　圖中表明熱量從LED芯片流出到空氣需要經過很多不同的熱阻：

　　Rj1：從芯片到安裝底板的熱阻(也就是芯片的熱阻)

　　Rj2：焊料的熱阻

　　Rj3：鋁基板的熱阻

　　Rj4：導熱硅膠的熱阻

　　Rj5：從散熱器到空氣的熱阻

　　所以從芯片到空氣的總熱阻就應該是：

　　Rja=Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5

　　只要知道從芯片到空氣的全部熱阻，就可以根據需要耗散的功率Pd，計算出結溫來，知道了結溫也就可以知道其壽命了。

　　假定環境溫度為Ta，那么結溫為：

　　Tj = Pd(Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5)+Ta

　　然而實際的LED燈具，從LED芯片到空氣所經過的熱阻要遠比這個多很多，例如，通常薄膜印制板是安裝在鋁基板上，鋁基板再安裝到鋁散熱器上，其間還要涂上導熱膠，導熱膠的厚度很難估計，而且其中還有殘存的氣隙。

[NT:PAGE]

　　對于采用熱管的燈具，則還要考慮熱管和散熱鰭片之間的空隙和導熱膠的熱阻等問題。

　　而且最難估算的是Rj5，也就是散熱器到空氣的熱阻。這牽涉到很多有關對流和輻射的散熱機制問題。

　　需要注意的是在計算LED的散熱時，經常犯的一個錯誤是把LED的全部功率當成是其耗散功率Pd。

　　例如，一個1W的LED，其正向電壓是3.3V，正向電流是350mA。于是就把這二者的乘積1.155瓦作為其耗散功率。這是錯誤的。因為這只是其輸入功率，而不是其耗散功率。有一部分輸入功率變成了有用的光發射出去了。需要作為熱來耗散的那部分，應當是輸入功率減去以有用光的形式發射出去的那部分，才是需要作為熱而耗散的那部分。不過這部分比較難計算。

　　一般來說，因為LED的發光效率有所不同，而這個耗散功率也有所不同。

　　一般來說，可以作如下的近似：發光效率為100lm/W，其耗散功率應為70% 輸入功率，對于上面所說的1W的LED，也就是1.155x0.7=0.8W變成無用的熱需要散發出去。

　　那么是不是知道了所有各部分的熱阻，我們就可以知道這個LED燈具的總熱阻，也就可以知道LED芯片的結溫，也就可以知道這個燈具的壽命了呢?

　　情況遠遠不是那么簡單，雖然我們可以仔細分析每一部分的熱阻，甚至還可以得到比較精確的數字，但是還是有很多重要的因素被我們忽略掉了。因為上面的這個模型只不過是單個LED的燈具的模型，而實際的燈具要比這個模型復雜很多。

　　LED 的分布。在很多情況下，LED燈具里是由很多顆LED所構成而不是只有一個LED。可能所有這些LED都焊在一塊鋁基板上。這時候如果只用標準的鋁基板的熱阻來計算整個燈具的熱阻就會有很大的出入。因為每個LED的散熱會受到周圍LED所發出的熱影響。換句話說，這時鋁基板的熱阻是很難計算的。

　　其他熱源的影響，例如LED的恒流電源就是重要的發熱源，假如這個發熱源靠近某些LED，那么就會明顯降低這些LED的散熱而縮短其壽命。也相當于改變了其熱阻。

　　熱阻實際上只考慮了熱傳導，而根本沒有考慮熱對流和熱輻射。熱量從LED芯片出發，經過了一系列不同材質傳導，最后到達鰭片散熱器。這些熱量最后都要散發到空氣中去。如果散發不到空氣中，那么這些熱量也會越積越多，導致結溫的升高。

　　所以可以說，最后鰭片散熱器散到空氣中的這一環節，是最關鍵的一環，是最復雜的一環，也是最難計算的一環。或者說Rj5基本上是無法用簡單的計算就能算出來的。這就使得要通過所有部件的熱阻來計算出LED的結溫幾乎是不可能的事。