高效能LED光源技术与散热设计
刘美荣
（黄冈职业技术学院，湖北黄冈438002）
摘要:通过建构光源模组技术并整合高功封装技术、光学设计、电控及热处技术能，改善散热方式，低发光二极体接面，提升发光效;改善产品的质量稳定性和可靠性，建立优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的高效能半导体光源系统。关键词:高效能制;LED;散热;照明质量
0引言
在我国，以LED为核心的新能源、新光源照明产业正在加速发展，其动力主要来自两方面：①政府政策的支持和推动；②企业看重这一市场机遇加大投入。而行业内专业、高端展会更是把LED照明产业推上新的发展高度。本文在反映整个新光源与新能源照明行业的最新发展趋势、状态及问题所在的同时，集中展示技术、产品及应用。近年来，LED技术进步和产业的提升［1］，使LED外延、芯片、封装、驱动电路以及显示应用、照明控制等相关技术的发展非常快，产品性价比上升明显，这给LED照明从可能变为现实带来无限的希望。目前，我国LED产业与国际一流水平相比差距并不大，而且中国具有自主知识产权的单元技术已经显现，中国在LED外延材料、芯片制造、器件封装、荧光粉等方面均已显现具有自主技术产权的单元技术，部分核心技术具有原创性，为中国LED产业做大做强在一定程度上奠定了基础。
1LED概念及发光原理
发光二极管（LightEmittingDiode，LED）是新型高效固体光源，具有节能、环保和寿命长等显著优点。它的主体是一块电致发光的半导体材料，在它两端加上正向电压，电流会从LED阳极流向阴极，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，电流越强，发光越强。LED发光原理不同于传统UHE、UHP灯泡，它在发光过程中不会产生大量热量，因此寿命都可以达到6万h以上。半导体照明在同样亮度下，耗电仅为普通白炽灯的1/10，节能灯的1/2，使用寿命却可能延长100倍。自2003年以来［2］，在“国家半导体照明工程”的组织实施过程中，国内的相关企业、研发机构和大学围绕宽、禁带半导体材料、大功率LED器件、封装、配套原材料、重大装备等方面开展研发，攻克了一系列半导体照明的关键技术，取得了显著进展。但半导体白光照明技术还远不成熟，还有一系列的技术问题有待解决，特别是在产品的质量稳定性和可靠性上，更有待提高。
发光二极管由PN结芯片、电极和光学系统3个主要部分组成。晶片（发光体）的面积为10．12mil（1mil=0．0254mm2），国际上目前生产的大晶片LED面积可达40mil。发光二极管发光过程为正向偏压下的载流子注入［3］、光能传输和复合辐射3部分。在洁净的环氧树脂物中封装了微小的半导体晶片，带负电的电子通过该晶片，移动到带正电的空穴区域，电子和空穴复合并同时消失，形成光子。光子能量的多少由电子和空穴之间的能量（带隙）决定，能量（带隙）越大，光子的能量就越高。不同的材料带隙不同，光子的能量与光的颜色对应，就会发出不同颜色的光，光谱中，红色光、桔色光具有的能量最少，紫色光、蓝色光具有的能量最多。
高亮度的白光LED将成为LED照明光源的主流。商品化的白光LED目前是以蓝光单晶片混合YAG黄色荧光粉产生白光，即多是二波长。未来较被看好的是三波长白光LED，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它会取代LED背光源、荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡等市场。
LED是1种半导体元器件（见图1），核心是p型及n型半导体组成的芯片［4］。在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p－n结。当注入p－n结的载流子数量足够多，就可以实现把电能转换为光能的效果。一般的低功率LED产品拥有能耗低、体积小、反应时间快、有多种光颜色输出、产品寿命长和不含对环境有害的汞等优点。
虽然发光管是冷光源，但LED的光效偏低，在高光效/发光效率（lm/W）LED灯具应用上需要输入大量的电能来转换成光能。大电流在半导体材料上会产生传导性电阻热，加上半导体材料制作的LED不耐高温，导致过热使LED灯的光输出率及寿命大幅降低。
2散热设计
LED元件的核心设计，即是由一片LED晶粒［5］利用加在其上的电压使之产生发光，而与一般硅晶片类似，LED晶片也会因为长时间使用而产生光衰现象［6］，多数设计方案为了提升元件发光亮度，利用增加晶体的偏压，即提升加诸于LED的电能功率，让晶片能够激发出更高的亮度，如此一来，加强LED功率也会使得晶体的光衰问题、寿命问题加速出现，甚至元件本身因强化亮度而产生的高温，也会造成产品寿命的缩短。
当单颗LED晶粒随着亮度提升［7］，单颗LED功耗W数也会由0．1W提高至1W，3W，甚至5W以上，而多数的LED光源模组实测分析，也会出现封装模组的热阻抗因增加发光效能而提升，一般会由250～350K/W持续增加。而检视测试结果会发现，LED会有随着“功率”增加、“使用寿命”减少的现象［8］，原本可能具有2万h使用寿命的LED光源元件，因为散热影响，而降低到仅剩1000h的使用寿命。一般言，当元件在50°C的运作温度下，均能维持最佳的2万h寿命［9］，但当LED元件运行于70°C的环境，平均寿命则降至1万h，若持续在100°C环境下运行，则寿命仅剩5000h。市场上的LED光源良秀不齐，许多公司宣称其半导体光源连续使用寿命为10万h，但产品实际可用寿命许多不到5000h，最短的不到100h［10］，使整个LED产业在市场上的信誉受对极大的影响。另一方面，半导体光源的用户无法选购到可靠的产品，缺少对LED产品的质量可靠性及稳定性的有效检测手段，直到客户遭受损失。业界要为产业的进一步发展奠定技术基础，必须有1个相对统一的产品质量与可靠性的测试及规范标准。
国际上CIE等相关机构鉴于LED产业的迅猛发展，还未能制定一个统一的规范，多由各公司自行测试和规定，主要包括高温，常温，低温老化实验，高温高湿老化实验，冷热冲击实验，机械撞击，静电放电实验，震动实验，焊接实验，盐雾实验等若干项。国内LED光源用户一般也是用该室温老化实验来验证供应商的产品质量和可靠性，好的公司则有做1000h室温老化实验。由于LED光源的使用寿命要求是1万～10万h（约1～11年），用户很难有时间用常温老化法求证。LED光源的寿命高温下会大大缩短［11］。LED光源的寿命t和温度呈指数关系， t=t0·exp（－DEkT）
因此，高温加速老化实验是更快速严格的可靠性测试方法。85°C下LED光源寿命比常温将会缩短约20倍。国内许多厂家的劣质产品则在24～100h内迅速老化，该实验成为检验产品质量的一个快速试金石。
功率型LED会受热量影响：①热量集中于尺寸很小的芯片里，芯片的发光效率因结区温度升高而降低，芯片周围荧光粉的激射效率的降低，使器件的光学性能受到严重影响，且器件的稳定性和寿命也容易受热应力的非均匀分布而降低；②白光照明系统中多个LED是密集排列的，高热阻会因模块间相互影响导致器件失效。
3LED模组设计的热阻抗现况
除了关键元件LED易受温度影响外，模组化概念开发也多［12］半被采取在光源设计中，甚至为了取代传统光源，让电子电路和发光元件只能在非常小的空间内整合，因为LED为DC直流驱动元件，多数灯具的连接电源为AC交流电源为主，目前的主流做法为了简化LED光源的工作过程，直接将电源整流、LED发光元件和变压模组进行整合，面临的问题则是，可用的电路空间相对小很多，较佳的散热效果在装置内对流空间相对变小的情况下，自然也无法得到实现，模组的散热处理只能透过主动式强制散热的相关对策。
若由热阻抗模组观察所制作而成的热流模型，对LED［13］晶粒预测接合点的温度，接合点意指半导体的pn接合处，定义热阻抗R为温度差异与对应之功率耗损比值，而热阻抗的形成因素相当多，但透过热流模型的检视方式，可以更清楚地确认，热的散逸处理方面，是因为哪些关键问题而降低其效率，散热改善工作可从元件、组装方式、结构、基板材质进行。并可以从几个关键处来检视一般LED固态光源的热流模型。
在图2中高照明效果的天花板灯，其LED需高功率驱动发光，因此整合的电源模块、散热模块成本也会较高。
例如，LED发光元件可以拆解为LED晶粒、封装的塑料、晶粒与接脚的连线，从LED光源模组再观察，即会有LED元件、MetalCorePCB（MCPCB）电路板、接合的金属接脚，最后为散热的铝挤型散热片等构成，而热流模型可以观察有几个串联的热流阻抗，例如结合点、电路板与环境、乘载晶粒的金属片等，再检视串联阻抗的热回路，可发现散热效率低下的问题症结点。再深入观察模型发现，从晶粒的接合点到整个外部环境的散热过程，其实是由几个散热途径汇总而成，例如，晶粒与乘载金属片的材料特性、LED元件的表面接触或是介于散热用之铝挤型散热鳍片黏胶、电路板材料热阻特性和封装LED晶粒材料的光学树脂接触，乃至降温装置与空气间的组合等，构成整个热流的散热过程。
4LED固态光源的散热改善方式
LED固态光源的运作温度如何有效散逸，是影响整个光源应用的照明效能、装置寿命、能源利用效能等重要关键，而改善散热的方式可自晶片层级的技术、电路板层级的技术、封装LED晶粒的技术去改善。
（1）由于传统的晶片制法，在晶片层级的散热处理方面，多以蓝宝石作为基板进行设计，而蓝宝石基板的热传导系数接近20W/（m·K），其实很难将LED［14］磊晶产生的热快速散出，在针对LED晶片级的散热强化处理，尤其是针对高亮度、高功率的LED元件方面，目前主流的作法，是有效利用覆晶将磊晶的热传导出来，即使用覆晶（Flip-Chip）的形式。
（2）因LED元件上下两端都设有金属电极，可采行“垂直”电极的方式去
制作LED元件，此可在散热的问题上有所助益。例如，GaN基板为导电材质，采用GaN基板作为材料，基板下方可直接做电极进行连接，即可得到快速散逸磊晶温度的效益，但这种作法会比传统蓝宝石基板作法的成本贵许多，因为材料成本较高，元件的制作成本亦会增加。
（3）对封装层级的散热强化作法，LED制作过程，整个LED可利用光学等级的环氧树脂来封装，增大LED元件机械强度，保护元件内的相关线路，但环氧树脂的作法虽可提升元件强度，却同时限制了元件的温度操作范围，因为高温下使用光学级的环氧树脂，会因强光或高温，让环氧树脂的材质本身和光学特性劣化。
如图3所示的亮度强化的灯具，局部高温问题也会加剧，必须搭配更强力的主动散热技术。
（4）芯片层面减少管芯热阻是LED器件的热量处理方法外，对封装而言，为降低封装后器件的热阻应设计合理热沉、采用高热导率的封装材料、采用多芯片封装、优化驱动电源等，使器件性能提高。非成像光学是针对LED封装的光学研究。半导体照明光源应用的重要研究内容就是利用非成像光学设计，满足特定要求的LED光学系统。
目前封装改善方式，传统的炮弹式封装技术仅在多数中低功率的LED元件中才使用，对于高功率、高亮度的LED元件，多改用LumiledsLuxeon系列封装法，将散热路径集中于下方的金属，内部的封装改用光学特性和耐高温、耐强光的矽树脂去进行封装，此封装法可获得较佳的机械强度，同时其内部对高温、高强度蓝光LED、紫外线照射有更强大的耐受能力。
以下是封装光学设计实例在投射照明系统中的应用。投射照明系统的光源要有准直、高效的远场分布。若通过LED光源与附加准直透镜相结合实现准直光场分布，即采用二次光学元件，不但系统体积增加，且LED和二次元件间会存有空气隙，出现额外的反射损耗。LED芯片封装时的树脂透镜需重新设计，确保LED在封装的同时实现准直：准直透镜的二维、三维模型首先采用编程方式计算，其光场分布利用蒙特卡罗方法计算，设计模型利用计算结果修正，而后再制作准直透镜。比较采用传统二次元件系统的光场分布及利用直接准直LED光源的光场分布，该准直透镜的亮度半高全角的理论值为9．8°，实测值为12．8°，其出光效率为90%。准直LED光源阵列的应用效果十分明显。应该指出，此封装结构能简单地组合构成大面积阵列，具有很强的可扩展性，满足不同的应用需求。
LED的封装问题，除光学封装设计、热学处理外，值得探讨与研究的相关技术还有高热导率低损耗封装树脂材料、稳定有效驱动电源模块、新型高转换效率荧光粉材料等。因传统光源和LED光源形貌上差别很大，如何在外观上为市场接受，也成为封装需解决的技术问题。
5结语
电路板层级的散热改善，要求热传导性能具有中上表现的一般采取金属基FR4（PCB））［15］制作，如IntegratedMetalSubstrate（IMS）、MCPCB处理，要求更高效能热传导能力的会采取陶瓷基板（Ceramic）去制作。
FR4（PCB）优势为低成本，可导热效能相对较差，多用于低功率的LED装载方面。金属基PCB（IMS、MCPCB）因工作温度高，例如MCPCB结构由铜箔层、铝基板、绝缘（介电）层构成，一般铜箔层（电路）为28．35～113．4g、铝基板（金属核心）层厚度在1～3．2mm、绝缘（介电）层为7．5～150μm左右厚度，可用在140°C环境下，为中高价位的制作成本。陶瓷基板（Ceramic）的成本和单价更高，因为陶瓷可让乘载的晶片更为匹配，其热膨胀系数表现佳，但无法用在大面积的电路，对于LED光源应用面，多数仅用于承载LED元件的区块电路使用，来提升热传导效率。
除前述常见乘载的电路板外，其实还有相对多款具较佳热传导技术的基板技术，例如陶瓷基板（氧化铝）、软式印刷电路板、铝镁合金、金属基复合材料基板、直接钢接合基板（DBC）等技术，但部分技术仍有制作成本或装载方面的考虑，必须视最终成品的实际热流模型限制与改善幅度是否值得更换载板。