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大功率固态照明热阻处理技术设计 |
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摘要：LED技术发展到今天，单个LED光通量的提高已经使得它可以进入照明领域。然而，大功率LED固态照明单个LED光通量提高伴随着热阻技术瓶颈，散热处理是否成功直接影响到LED固态照明的光学参数以及产品的寿命等指标。武汉维新光电子技术有限公司开发的DCJG—S（叠层结构）技术在大功率LED封装上的应用，解决了大功率LED固态照明热处理方面的问题——大量热量的疏导，为固态照明的广泛应用提供新的解决方案。
关键词：LED照明、热阻、固态照明
1、LED固态照明简述
LED固态照明是继白炽灯发明以来，最重要的照明革命，由于半导体材料，将电能直接转化为光，所以LED固态照明是具有与传统照明光源最大的不同在于它的光线不是由热而发光，是真正意义上的绿色光源，具有寿命长、能耗底、发光效率高、稳定性好、无频闪、无红外和紫外辐射等优点，并且发出的光色度纯。
LED固态照明的研究领域包括七个方面：基础结构、封装结构、寿命、量子效率、可靠性和可控性、降低成本。本文所介绍的主要着眼于基础结构以及多芯片封装结构的热处理技术。
2、LED固态照明的热问题及其影响
2.1为了适应通用照明的需要，固态照明光源迫切需要解决单个芯片散热问题，又需要解决多芯或多个LED灯管集成组成的散热问题，其热聚效应及热阻过大，直接导致LED结温升高。据有关资料分析，大约70%的故障来自于LED的结温过高，并且在负载为额定功率的一半情况下，温度每升高20℃，故障率就上升一倍。
2.2LED热的传导和疏散
LED固态照明光源需要解决如下几个环节的散热问题：1.芯片结到外延层；外延层到封装基板；封装基板到冷却装置，这三个环节构成固态照明光源热传导的通道，热传导的通道上任何薄弱环节失败都会使LED光源毁于一旦。为了取得更好的导热效果，首要的是：三个环节上都需要采用热导系数高的材料。本文论述热阻设计第三个环节，即封装基板到冷却装置。
3、封装基板到冷却装置
3.1大功率LED固体照明开发现状
单芯片W级功率LED现已达到1W、3W和5W。然而实际上大功率LED的发热量却比小功率LED高数十倍以上，而且温升还会使发光效率大幅下跌，即使封装技术允许，热量高不过LED芯片的接合温度却有可能超过容许值。因此低功率多芯片式多个LED组合成LED固体照明光源，在实际使用中更为普及，在散热问题上相对处理较容易，例松下公司推出64只芯片组封装的大功率LED，日亚公司推出的多芯片组合的LED固体照明光源，其光通量可达600LM，输出光通量为1000LM时，耗电量30W，最大输入功率为50W，发光效率达33LM/W。
传统的LED灯封装结构，一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上，由金丝线完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成，其热阻高达250℃-300℃。对于功率型LED芯片，可采用低阻率、高导热性的材料粘结芯片；在芯片下部加铜或铝等金属热沉，并采用半封装结构，加速散热降低热阻。
3.2一种叠层结构（DCJG-S）LED固体照明设计
封装基板散热设计，首先通过提高材料热导系数，降低热膨胀系数不匹配度来增强LED热处理性。其次要考虑散热通道及散热板的热容量，散热通道畅通，散热好，散热板热容量大，热传导性能好，热阻小，LED结升温就慢，对LED发光性能就有很好保障，也就能实现多个LED集群式封装。
如图1，叠层结构（DCJG-S）为双面线路板2，两端焊接有散热金属板1，LED芯片3直接焊装在散热金属板上，再通过金丝焊线，连接另一端的金属散热板。金属散热板既是LED封装基板，也是连接外部的冷却装置，LED供电通过双面线路板传至两端金属散热板。 
图1
该种结构实现串联或并联，就可实现多个或集群式LED封装，从而达到W级LED固态照明目的。该种设计也可将封装好的贴片发光二极管两极焊接在两端散热板上。
如图2所示，散热板5为一环状金属散热筒，中间为一个环形的双层线板3，LED芯片4直接焊装在环状金属散热筒上，其热传导功能与上述图1原理一样，通过串联，实现集群式LED环状360゜发光面。
图2
上述图1、图2与传统的固态照明光源的散热通道相比，散热环节减少了，由于芯片直接焊装在金属基板上，散热效率更高，芯片到金属散热减少了封装基板环节，同时根据LED芯片的功率，可加大或缩小散热板的宽度和厚度，使热参数匹配。
3.3 叠层结构热处理设计简述
LED发光芯片内部的热处理设计固然非常重要，但集群LED固态照明散热装置也极为重要，依据散热设计的如下基本公式：
Tr散热器=（125℃-安全温度阀值-环境温度）／功率–Tr发光LED-Tr界面
式中：
125℃是结温的典型值。
安全温度阀值一般来说取10℃。
Tr发光LED是LED封装结构自身的热阻。
Tr界面是LED封装结构与散热器之间的界面热阻。
由基本公式得知，叠层结构相对于传统LED照明设计，Ｔr界面热阻值小，Ｔr值就越大，Ｔr散热器就越小。同时Tr散热器根据散热板尺寸的大小，设计有较大的余量。
另外降低界面热阻也需要增加界面的平整度，使用导热性能更高的填充材料及较好的封装工艺。
4、结论
DCJG-S技术（叠层结构）出色热导性能在一定程度上解决了大功率LED固态照明的瓶颈—过高的结温所引发的一系列问题，使得实用级的LED固态照明光源成为可能，该技术已申报国家专利，并已在实施过程中。(end)
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(2/10/2007) |
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