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LED照明熱管理關鍵技術分析
上傳更新:2015-03-26

來源:中國半導體照明網 作者:柴廣躍 深圳大學光電工程學院

LED散熱問題是影響其壽命的重要因素,與傳統光源一樣,LED在工作期間也會產生熱量,其多少取決于整體的發光效率。在外加電能 量作用下,電子和空穴的輻射復合發生電致發光,在PN結附近輻射出來的光還需經過芯片(chip)本身的半導體介質和封裝介質才能抵達外界(空氣)。綜合 電流注入效率、輻射發光量子效率、芯片外部光取出效率等,最終大概只有30%~40%的輸入電能轉化為光能,其余60%~70%的能量主要以非輻射復合發 生的點陣振動的形式轉化熱能。本文將圍繞著碳復合功能材料在導熱散熱中的應用,以及膠粘貼片與共晶焊貼片的幾種貼片工藝比較進行闡述,介紹當前熱管理的幾種關鍵技術。

一、常用散熱方式

提高 LED發光效率是業內研究的熱點,其中從芯片角度提高外量子效率目前常用的途徑有:生長分布布拉格反射層結構、制作透明襯底、襯底剝離技術、倒裝芯片技術、表面粗化技術、異形芯片技術、采用光子晶體結構等。目前,芯片即使光效達到200lm/W,外量子效率仍不高,原因在于散熱管理尚未得到理想解決。

目前,由日本松下電工(Matsushita Electric Works Ltd)與美國加州大學圣塔芭芭拉分校(USCB)共同研究的計劃,已開發出具有較高外部量子效率的發光二極管(LED) 

根據熱流定律,熱傳導方式的導熱系數中通過材料的熱流總量總是反比于材料的熱阻。增大熱傳導的方法有:增大芯片熱傳導系數;②增大焊料熱傳導系數;③減薄焊料厚度;④增大基板熱傳導系數。在管芯與透鏡、熱沉基板、金絲、熱沉金屬電路層 之間的對流中,管芯-熱沉基板-散熱器-熱對流至空氣、管芯-金絲-熱沉金屬電路層-散熱器-熱對流至空氣、管芯-熱沉金屬電路層-散熱器-熱對流至空氣 這三種方式是主要的散熱途徑,管芯-熱沉金屬電路層-散熱器-熱對流至空氣是次要途徑。

對流傳熱是流體流動載熱與熱傳導聯合作用的結果,流體對壁面的熱流密度因流動而增大。流動傳熱分為強制對流和自然對流兩種。根據牛頓冷卻定律:

        Q=A×α×(tW-t)

其中,Q熱流量;A為散熱面積,α為對流系數,為壁溫(℃),t為冷流體主體溫度。由公式可推出,增大熱對流方法有:1.增大散熱面積;2.增大對流系數;3.增大溫度差。

二、封裝熱傳導材料的研究進展

1.氣相生長碳纖維(VGCF)

VGCF是一種碳功能符合材料,制作方法是在載有鐵鎳催化劑的陶瓷基板上通入氫氣和烴類氣體混合物在1100℃下生長纖維狀碳,再經過2600℃熱處理。實驗估計,在室溫下這種材料的熱導率可達到1260W/mK。

這種新型材料用作導熱基板的可能性在于,VGCF浸入環氧樹脂后,經過150℃熱壓成型,形成塊狀混合材料,其熱導率可達到695W/mK,由此可開發出新的貼片工藝。

VGCF存在的問題是,首先,由于它向異性的熱傳導特性,使其對其下的熱沉熱導率要求很高。其次,芯片與VGCF界面之間的熱阻較大。最后,這種材料目前的價格較高,無益于LED燈具整體價格的降低。

2.碳納米管(CNTs)

CNTs 是由單層或多層石墨片曲卷而成的無縫納米管狀殼層結構,具有良好的熱、電和力學性能。目前,通過理論計算和實驗均已證明碳納米管具有較高的熱導率。 S.BerberY.K.Kwon等人利用分子動力學(MD)模擬計算出單壁碳納米管(swNT)的室溫熱導率高達6600W/mK。Kim等人用實驗 方法測出多壁碳納米管(MWNT)的室溫熱導率達3000W/mK。

CNTs用作導熱基板的可能性在于,該材料可開發出新的貼片工藝。但由于其各項異性的熱傳導特性,對其下的熱沉熱導率要求很高。

3.碳泡沫材料

碳泡沫材料的制作方法是,將瀝青放入真空室加溫融化,同時輸入高壓氮氣并升高溫度,使瀝青泡沫化。當瀝青加熱到800℃時發生硬化,再將氣壓、溫度降至自然條件。通入氮氣加熱到1050℃進行熱處理,加熱到2800℃進行石墨化處理。

碳泡沫材料的性能優勢在于,熱導率的理論值大于2000W/mK,2002年實驗值達到150W/mk,整體材料表面積大且重量輕。它所采用的散熱原理是利用疏松多孔的結構,進行多孔熱交換。

三、貼片散熱技術

貼片封裝的芯片其散熱主要依靠導熱膠、環氧樹脂、導電銀膠等材料。其中,部分進口導電銀膠的導熱率可達到30W/mK。

1.傳統貼片工藝

傳統貼片工藝所使用的導熱材料是導電銀膠和導熱膠,需要通過(手動)刺晶臺或自動貼片機及烘箱烘干等工藝流程。這種工藝的有點在于設備價格經濟,且工藝已較 為成熟、穩定,可批量大規模生產。但其缺點是對膠體的要求較高,需要過多的人工控制,且容易產生氣泡,造成熱阻較高。

2.共晶()焊貼片

共晶()焊貼片采用金錫焊料作為共晶焊料,金錫焊料是以錫作為主要合金元素的金合金,其是一種低溫焊料,可在氫氣爐中不用釬劑進行釬接。這種貼片工藝使用手動共晶焊臺或自動共晶焊貼片機,熱阻低,可靠性高,且電阻較低。但這種貼片工藝使用的設備較高,產能較低(3s/pcs),對基板要求也較高,不利于批量生產及成本的控制。

3.熱超聲焊貼片

熱超聲焊貼片的工作原理是向壓緊的LED芯片和熱沉施加超聲波,產生的彈性振動破壞被焊件表面的氧化層并生熱,與外部施加的熱量一起使被焊件界面的未飽和原子鍵 相互鍵合,使芯片和熱沉牢固地焊為一體。這種工藝的優點是熱阻較小,可靠性高,電阻較低。但缺陷是設備昂貴,要求芯片及熱沉都是特制的。

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