大功率LED球泡灯封装热模拟研究进展.docx

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大功率LED球泡灯封装热模拟研究进展

大功率LED球泡灯封装热模拟研究进展

引言：

环境保护及能源问题已经成为影响人类社会发展的全球性问题，发展半导体照明对节能、环保和建设节约型社会都有重要的战略意义，正逐渐成为人们的共识。

在世界的电力使用结构中，照明用电约占总用电量的19%，照明耗能是世界能源耗能重要组成部分。

国际能源署（IEA）2006年的研究报告指出，如果不采取积极措施，全球2030年的照明能源消耗将比现在高出80%。

另一方面，中国作为13亿的人口大国，电力能源相对来说比较贫乏，并且随着经济发展，人民生活水平的提高，照明用电在电力消费中占的比例逐年提高。

早在上世纪九十年代，我国照明用电的年增长已在15%以上，但在我国照明用电的结构中传统灯具仍占极大比例。

LED由于以下优点成为21世纪新的照明能源，将取代白炽灯：

理论上更高的发光效率，可达到300lm/W，寿命长，结构牢固，冷光源，环保，淘汰器件小，反应时间快，亮度可调，颜色可变。

目前LED灯最大的制约问题是散热。

由于其发光效率仅能达到10%～20%，80%～90%的能量转化成了热能。

随着LED产品功率密度和封装密度的提高，这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。

这样，在推广照明用高功率密度高亮度LED产品时必需选择有效的散热解决方案。

为减小LED芯片的结温，当前主要从三方面设法提高产品的热散失能力：

1通过提高工艺和采用新材料来提高LED芯片的发光效率，降低其热功率；

2积极寻找新的封装方法和材料，将LED芯片产生的热量更有效地导出；

3采用高效的外部散热方式，迅速将热量从LED基板导到环境中。

一提高LED芯片的发光效率

由于LED芯片的转化效率不高，只有百分之十的能量转化为光能，大约80%的能量都转化为热能。

1W的芯片的热功率就约有0.8W，故如果能够改善芯片结构，提高转化效率，降低芯片热功率，能够从根本上解决LED散热问题。

以市场上最常见的1W灯珠为例，点亮后不加任何散热装置，采用ANSYS软件进行模拟分析，可以得到芯片内部结温的变化情况。

图1LED结温与功率效率的关系

可以看到随着LED芯片功率效率的提升，LED的芯片结温成线性下降。

二新材料及封装方法

2.1LED热阻模型

典型的高功率LED芯片的装配结构如图2所示。

LED芯片通过焊接（或硅脂）固定在基板上，基板一般包括了电路层，密封层，绝缘层等。

基座再与散热系统相连。

热量传递过程如图2所示，通过热传导的方式从芯片经过焊料层传至基板。

到达基板后的热量再通过被动或主动散热方式传到环境中。

图2热阻模型图

在输入功率和环境温度不变的情况下，要降低结温，必须尽可能地减少各环节的热阻，即在对LED芯片封装的时候，应该在满足热力学的要求之下尽可能减小封装热阻，在进行外部冷却的时候，也要合理选择相似装置以减少热阻。

根据热阻计算公式

应该在满足热力学的条件下尽可能地减少各传热层的厚度，增大各传热层的面积，并使用热导率高的材料。

2.2衬底材料

衬底材料是LED技术发展的基石，不同的衬底材料需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术。

衬底材料决定了LED技术的发展路线，同时也将影响LED的散热性能。

当前商用的GaN基LED的芯片衬底材料主要有蓝宝石（Sapphire）、SiC和Si，此外，还有GaAs、AlN、ZnO等，通常根据设计的需要选择使用。

清华大学的于新刚等以GaN基LED芯片为研究对象，对芯片衬底选用不同材料时的LED最高温度进行了数值模拟，下图所示。

结果显示当衬底的热导率较小时，随着热导率的增大，芯片的最高温度迅速降低，当超过150后，下降越来越平缓，认为少数厂家采用的高导热率SiC基板与导热系数为100~200的材料相比，对散热的强化作用不大，而且价格昂贵，如果能解决Si与GaN材料晶格匹配的问题，综合考虑散热和成本的因素，采用热导率为150左右的Si衬底是一个比较好的选择。

图3芯片温度随衬底材料导热率的变化曲线

Chi等对由GaN有源层和Sapphire衬底、SiC衬底和Cu衬底组成的3种芯片的LED温度场模拟的结果显示具有最高热导率的Cu芯片衬底的LED结温最低，而热导率最差的Sapphire芯片衬底的LED结温最高，如下图所示。

当输入功率为1W时，由于芯片产生的热量较少，采用Cu衬底与Sapphire衬底的LED结温相差不大，但是当输入功率为5W时，采用Cu衬底的LED结温比采用Sapphire衬底的LED结温低10左右。

图4不同功率下衬底材料对芯片结温的影响

2.3透镜材料

LED的透镜材料主要有硅胶、环氧树脂、PMMA，PC，光学玻璃等，这些材料的热导率普通较低。

广东工业大学的王静等采用ANSYS模拟了采用不同热导率的透镜材料时LED的温度场，结果显示即使找到一种高达7的环氧树脂材料作为透镜材料，相比使用0.25的材料时芯片温度下降不多。

铝基板温度只下降了2.271度，最大功率仅提高了0.69W。

图5透镜材料的温度分布

2.4界面粘接材料

介于LED芯片和热沉之间的导热层既有导热的作用，又有固定芯片的作用。

常用的界面粘贴材料有导热胶、导热银浆、锡浆或加有纳米碳管的导热材料等。

天津大学的张晓峰等人利用模拟软件分析了1，3，5W下导热胶、导热银浆、导热锡浆对芯片结温的影响情况。

如下图所示。

图6不同LED功率下不同界面材料的LED结温

从以上数据可看出，选择不同导热材料对LED结温的影响较大。

在1WLED封装中，导热胶和导热银浆热传导系数差别为5W/m·℃，导热银浆和导热锡浆热传导系数差别为40W/m·℃，但是造成的温度差别分别为3.929℃和4.487℃，其相差量并不大。

3W和5W的功率型LED也有类似规律。

图7LED结温与界面材料热导率的关系

由图7可以看出，随着不同导热界面材料热传导系数的增大，温度的降低趋于平缓，当热传导系数大于40之后，对芯片结温影响不大。

CNT碳纳米管是一种超高热导率材料，达到600-3000W/m.k，且传热性能各向异性，在Z轴方向可以达到25000W/m.k，并将其直接连接于硅基板上，利用硅基板完成绝缘与导热，其原理图如下

图8利用CNT的导热封装结构

南京大学的谢鸿峰等人对碳纳米管复合物的热分析研究证明其热稳定性较强，热导率随温度变化不大，一直保持着优良的水平。

2.5基板材料

目前的基板材料有普通的FR-4PCB板，其热导率只有0.25，远远不能满足大功率LED的散热要求，因此可以采用以下各种基板：

美国WESERNELECTRIC公司研制了金属芯印刷电路板（MCPCB）作为芯片热沉，在铜板或铝基板上敷镀一层适当厚度的纳米级高导热陶瓷粉末作为电介层，其热导率可达到1-2.2W/m.k，其封装结构示意图如下所示。

图9MCPCB倒装式HPLED结构示意图

Kim等人于2009年提出在绝缘层上面设置孔洞结构，并在孔洞里面填满与散热层材料相同的铜，这样芯片产生的大部分热量就可以直接由孔洞结构传递到热沉。

这种带有孔洞结构的PCB的热阻只是MCPCB的一半。

Su等提出使用磁控溅射工艺，将电极层和绝缘层以薄膜的形式直接制作在金属散热器上。

这种薄膜封装结构减小了绝缘层和电路层的厚度，不仅封装紧凑，其散热性能远优于现有的PCB封装结构，而且工艺简单，成本低廉，适合大规模的工业化生产。

美国LaninaCeramics公司设计的LTCC-M封装技术的大功率LED。

该封装技术使用的热沉为金属基板多层低温共烧陶瓷，主要利用大面积的金属芯（银）进行导热，其热导系数达170W/m.k，其典型封装结构如下

图10多层陶瓷金属封装结构示意图

天津大学的张晓峰等人研究了不同基板材料下，芯片结温的变化。

当1WLED使用铜基板时，如下图所示

图11

图12LED结温与基板材料热传导系数的关系

如上图所示，表示了不同基板材料的导热系数对1WLED结温的影响。

当基板材料的热传导系数在超过100W/m﹒℃后，对结温的影响很小，结温趋于不变。

三外部散热

3.1相变热沉：

胡志华、汤勇等研发了一种基于相变传热原理的新型微相变热沉应用于大功率LED。

其结构原理如图所示。

其结构主要由壳体、蒸汽腔、吸液芯、表面微细结构、工质组成。

工作原理为：

芯片置于蒸发面上，芯片工作时，在蒸发面附近的工质由于受热开始蒸发，蒸汽流动充满整个蒸汽腔，当蒸汽接触到冷凝面，工质冷凝释放潜热。

冷凝的工质通过吸液芯的毛细作用力回到蒸发面，如此循环传热。

图13微相变热沉结构原理图

图14微相变热沉与大功率LED芯片简单封装结构示意图

大功率LED芯片先将热量传递到微相变热沉，微相变热沉与大功率LED芯片成为了一个大散热体后，传热面积与散热效率得到大幅度增强后，再将热量通过基板传出去。

微相变热沉是基于传统实体热沉无法满足大功率LED高热流密度下传热需求的前提研究开发的，其对比如图15

图15加热时微相变热沉与传统实体热沉的热阻

微相变热沉具有良好的轴向等温恒通与径向等温性能。

随着加热功率的增大，在没有达到其传热极限前，可以看到其热阻要远远低于同体积的传统金属热沉。

3.2热管

天津大学的张晓峰模拟了一种新型热管带散热片的结温情况，其模型图如下

图16带热管的LED灯光结构

图17单颗LED芯片在MCPCB板上的温度分布

图18LED结温在不同功率下与翅片个数的关系

其热模拟分析结果与1W只有MCPCB的LED进行对比，发现利用热管封装的LED更容易达到更低的结温，其热阻要低1.34。

通过分析可以得知，这种作用具体体现在热管具有热的超导性，使得导热途径中的热阻大大减小；另外，热管可以实现长度方向上的超小热阻，使得散热片具有更好排列的可能，有利于增大对流散热面积，因此，选择热管技术对功率型LED进行散热封装也具有一定的可行性和优点。

3.3压电风扇及肋片：

普通风扇在工作的过程由于噪音大、功耗高、可靠性差，甚至带动风扇转动的旋转磁场会因漏磁或电火花干扰到周围电子元件的正常工作，在LED的设计中很少使用，压电风扇能够弥补普通风扇的缺点。

Aqkahn等提出了压电风扇在LED中封装的方法。

压电风扇是根据压电陶瓷的逆压电效应，驱动风扇的扇片发生弯曲谐振，从而由片端向前方输出高速、平稳的气流，就像快速摇动的蒲扇向前送风一样，虽然压电风扇的扇面很小，但因其摇动频率高，风力集中而不扩散，噪音小。

Ma等人提出了一种应用于LED产品热管理的压电肋片的新方法，结构如下图所示，这种由压电材料制成的振动肋条片表面上覆盖了薄层铜，将LED热源安装在该肋片的基部，肋片不仅能够通过热传导的方式将热量导出，还能够借助振动破坏热边界层来增大对流换热系数，从而加强LED芯片与外界的换热。

图19振动肋片结构图

天津大学的张晓峰等人对1WLED进行不同对流散热系数情况下的模拟，其结果如下图所示

图20LED结温与热对流系数的关系

从图中可以看到，模型和空气接触界面的热对流系数对LED结温具有非常重要的影响。

当1WLED的对流系数由10变为20是，其结温可由129变为82度，变化了47度，使得LED结温能够保持在健康工作状态。

因此如果能够使用压电风扇或肋片提供20到30的对流换热系数，能够产生相应的风速，便能够在LED灯泡中得到广泛应用。

3.4水冷

液体沉浸冷却

一般的高功率LED产品均采用背向式散热技术，考虑到可以直接在LED芯片正面散热，江昆渊等人提出了用于高功率LED的液态沉浸热管理解决方案。

如图11所示，高功率LED光源装置的外侧设置散热金属肋片，在灯罩中填充有可透光的液体，液体的对流可以快速地发散热量，另光线进入该液体后遭受的光扩散作用可以扩增照明的角度，光线在液体与灯罩之间的全反射可以达到良好的聚光效果并增加照明亮度，从而克服了现有技术的缺陷，这一设计方案不仅能够提高散热效果，还能增加照明角度，从而提高照明亮度。

图21带有液体的前腔室

通过热阻计算可以得到，LED芯片的热量将分为两部分，一部分往下经散热板散失，一部分通过环氧树脂，液体，外壳而后再与外界换热。

其虽然能够通过液体散出一部分热量，但是由于环氧树脂的导热率很低，只有0.25，故其热阻很大，严重阻碍了该散热路径的效率。

微通道冷却

吕家东对LED微流道制冷技术进行了研究，指出用微通道制冷器作为散热热沉的散热效果可以高出铜散热器的20倍左右。

Ma等于2005年提出了一种液冷LED封装模型，如图22所示，在该液体通路中，在位于LED芯片正下方布置方形针，一方面可以将芯片产生的热量迅速导入液体通路中，另一方面还可以扰动水的流动，从而加强换热，两者结合可以更好地降低结温。

模拟表明提高水流速效果更好，能减小芯片结温间的温度分布不均匀性，但需综合考虑液体泵的功耗，获得最优散热设计。

图22一种液冷LED封装模型

四其他进展

4.1热电制冷：

Liu等借助MEMS工艺将热电散热器直接与高功率LED基板封装，如图22所示。

研究显示，这种封装方式能够有效地将LED基座与环境之间的热阻减小为零。

TE散热器的使用可使LED在0.55W输入功率下的光效比在没有使用该散热器的情况下下提高3倍。

同时研究发现，由于工作过程中也会产生热量，热电制冷器的制冷效果并不随着其输入电流的增大而提高，所以在使用的过程中应该考虑使其冷面与热面之间的热交换匹配，达到最好的制冷效果。

图23热电制冷与LED基板封装结构

图241WLED热电器件散热模拟结果

图25使用热电制冷后的芯片温度

由上图可知，当使用热电制冷器件时，MCPCB为111度时，芯片温度可以被降低到48.3度，完全符合正常工作的要求，通过计算得到系统的热阻为-78.55K/W，通过模拟，在结果数据的对比中可以得出采用热电制冷器对功率型LED进行封装散热具有非常好的效果，但是另一方面，热电器件也会消耗一定的能量，使得LED的节能，高效等优势降低，也增加了封装的成本，因此，在对功率LED的工作稳定性和寿命要求高的场合，可以采用热电制冷器件进行封装散热。

4.2余热回收系统：

西安交通大学的胡红利、刘斐设计了一种基于半导体热电元件和热管技术的LED灯散热及余热回收系统。

基于塞贝克效应，通过PN结两端的温度差，产生电流，将LED芯片所散出的热量一部分转化为电能，用于微型风扇的驱动。

图26半导体温差发电堆实际结构示意图

图27一种LED灯散热及余热回收系统示意图

余热回收系统通过吸收多余的热量，并将其转化为电能，驱动微型风扇转动，进一步提高LED灯散热能力。

胡红利等人通过数值模拟分析发现该系统可以吸收30%-40%的热量，故以前LED芯片的热量全部由散热翅片散失的状态得到改变，模拟预测可以降低结温20-30度。

结论：

随着LED产业越来越火，对大功率LED的散热也有了越来越深的研究。

通过上文的研究可以得到如下结论：

在将芯片热量导向基板的过程中：

1衬底材料，在热导率达到200W/m﹒℃后曲线变得平稳，影响逐渐变小。

综合考虑散热和成本的因素，采用热导率为150W/m﹒℃左右的Si衬底是一个比较好的选择。

对衬底材料的研究应当集中在热应力、晶格匹配、热膨胀系数的问题上而不是导热率上。

2界面粘接材料，随着其热传导系数的增大，芯片结温的降低趋于平缓，当热传导系数大于40W/m﹒℃之后，对芯片结温影响不大。

3基板材料，热传导系数在超过100W/m﹒℃后，对结温的影响很小，结温趋于不变。

但是现在的MCPCB的热传导系数远远没有达到临界点。

LTCC-M是一种合适的方法能够提高基板热导系数，在基板上电镀铜，提高其横向导热系数从而获得更大传热面积是一种可以借鉴的思路。

外部散热中：

4空气强迫对流中使用的风扇由于噪音、电火花等干扰，难以在LED球泡灯中实现，但压电风扇及压电肋片克服了普通风扇的缺点，有应用前景。

5液冷系统由于结构复杂，成本较高，可靠性较低。

微通道制冷器一体化结构紧凑，体积进一步减小，热传输交通提高，与半导体芯片热膨胀系数相近。

但其制造工艺复杂，制造成本高，商品化需要过程。

液冷前舱由于环氧树脂是其散热路径上最大的阻碍，故散热能力有限，且会加大成本及重量，不利于广泛应用。

6热电转换装置在现在条件下转化效率仍然低下，并且可能会影响LED的节能优势，目前还不能大面积地推广使用。

7相变换热，如采用热管，其具有热的超导性，使得导热途径中的热阻大大减小，同时可以实现长度方向上的超小热阻，使得散热片具有更好排列的可能，有利于增大对流散热面积。

成本及可操作性有待研究。

如何对以上主动散热系统进行优化设计，解决自身的缺陷，更方便地在LED产品中封装使用，甚至提出颠覆性的新技术方案，均对散热设计提出了新的挑战。

如何能够完美的解决LED的散热问题，需要进一步的研究与努力。

参考文献