怎樣解決LED固態(tài)照明的熱處理？

LED固態(tài)照明的熱問題及其影響 

LED散熱問題及其影響：為了適應通用照明的需要，固態(tài)照明光源迫切需要解決單個芯片散熱問題，以及多芯或多個LED燈管集成組成的散熱問題，其熱聚效應及熱阻過大，直接導致LED結溫升高。據(jù)有關資料分析，大約70%的故障來自于LED的結溫過高，并且在負載為額定功率一半的情況下，溫度每升高20℃，故障率就上升1倍。

 LED熱的傳導和疏散：LED固態(tài)照明光源需要解決如下幾個環(huán)節(jié)的散熱問題：芯片結到外延層;外延層到封裝基板;封裝基板到冷卻裝置。這三個環(huán)節(jié)構成固態(tài)照明光源熱傳導的通道，熱傳導的通道上任何薄弱環(huán)節(jié)的失敗都會使LED光源毀于一旦。為了取得更好的導熱效果，在三個環(huán)節(jié)上都需要采用熱導系數(shù)高的材料。筆者重點論述熱阻設計的第三個環(huán)節(jié)，即封裝基板到冷卻裝置。

封裝基板到冷卻裝置

大功率LED固體照明開發(fā)現(xiàn)狀：單芯片W級功率LED現(xiàn)已達到1W、3W和5W。然而上大功率LED的發(fā)熱量卻比小功率LED高數(shù)十倍，而且溫升還會使發(fā)光效率大幅降低，即使封裝技術允許，熱量低于LED芯片的接合溫度卻有可能超過容許值。因此低功率多芯片式多個LED組合成LED固體照明光源，在實際使用中更為普及，在散熱問題上的處理相對較容易，例如松下公司推出的64只芯片組封裝的大功率LED，日亞公司推出的多芯片組合的LED固體照明光源，其光通量可達600Lm。當輸出光通量為1000Lm時，耗電量為30W，最大輸入功率為50W，發(fā)光效率達33Lm/W。

傳統(tǒng)的LED燈封裝結構，一般用導電或非導電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲線完成器件的內外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成，其熱阻高達250℃~300℃。對于功率型LED芯片，可采用低阻率、高導熱性的材料粘結芯片，在芯片下部加銅或鋁等金屬熱沉，并采用半封裝結構，加速散熱降低熱阻。

疊層結構LED固體照明設計：封裝基板散熱設計，首先要通過提高材料熱導系數(shù)，降低熱膨脹系數(shù)不匹配度來增強LED熱處理性。其次要考慮散熱通道及散熱板的熱容量，散熱通道暢通、散熱好、散熱板熱容量大、熱傳導性能好、熱阻小，LED結升溫就慢，對LED發(fā)光性能就有很好的保障，也就能實現(xiàn)多個LED集群式封裝。

雙面線路板兩端焊接有金屬散熱板，LED芯片直接焊裝在散熱金屬板上，再通過金絲焊線，連接另一端的金屬散熱板。金屬散熱板既是LED封裝基板，也是連接外部的冷卻裝置，LED供電通過雙面線路板傳至兩端金屬散熱板。

把該種結構實現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)，就可實現(xiàn)多個或集群式LED封裝，從而達到W級LED固態(tài)照明目的。該種設計也可將封裝好的貼片發(fā)光二極管兩極焊接在兩端散熱板上。

散熱板為一環(huán)狀金屬散熱筒，中間為一個環(huán)形的雙層線板，LED芯片直接焊裝在環(huán)狀金屬散熱筒上，其熱傳導功能與圖1原理一樣，通過串聯(lián)，實現(xiàn)集群式LED環(huán)狀360發(fā)光面。

前兩者與傳統(tǒng)的固態(tài)照明光源的散熱通道相比，減少了散熱環(huán)節(jié)。由于芯片直接焊裝在金屬基板上，散熱效率更高，芯片到金屬散熱板減少了封裝基板環(huán)節(jié)，同時根據(jù)LED芯片的功率，可加大或縮小散熱板的寬度和厚度，使熱參數(shù)匹配。

疊層結構熱處理設計：LED發(fā)光芯片內部的熱處理設計固然非常重要，但集群LED固態(tài)照明散熱裝置也極為重要。以下是散熱設計的基本公式：Tr散熱器=(125℃-安全溫度閥值-環(huán)境溫度) /功率-Tr發(fā)光LED-Tr界面;式中：125℃—結溫的典型值;

安全溫度閥值—一般來說取10℃; Tr發(fā)光LED—LED封裝結構自身的熱阻; Tr界面—LED封裝結構與散熱器之間的界面熱阻。由基本公式得知，疊層結構相對于傳統(tǒng)LED照明設計，Tr界面熱阻值小，Tr值就越大，Tr散熱器就越小。