摘要：闡述了熱對LED的影響，并對LED照明熱傳的基本路徑作了分析，然后逐一介紹了LED燈具上可能用到的各種散熱產品和模組。為初涉LED行業者提供了第一手的學習材料，也為LED燈具工程師提供了散熱設計的方向和參考。

　　關鍵詞：結溫；熱傳路徑；界面材料；散熱器

　　1、引言

　　在全球性的能源短缺和環境污染加劇的今天，LED以其節能環保的特點有著廣闊的應用空間。與傳統照明燈具相比，它同時也具有亮度高、能耗低、壽命長、方向性好、響應快等優點。然而如果LED光源不能很好散熱、它的壽命及各種性能參數也會受影響。因此，了解LED燈具發熱原因和熱傳路徑，運用合理的熱傳材料和科學的散熱解決方案，對于推廣大功率LED照明起到一個非常重要的作用。

　　2、熱對LED的影響

　　LED是個光電器件，其工作過程中只有 15%～25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED 的溫度升高。在大功率LED 中，散熱是個大問題。按照目前芯片材料的耐溫水平，通常結溫不能大于150oC，且較高的結溫對LED燈具產生較多不良影響。
  
　　2.1 結溫對LED光輸出的影響

 　   實驗指出，當LED的結溫升高時，器件的輸出光強度將逐漸減小；而當結溫下降時，光輸出強度將增大，一般情況下，這種變化是可逆與可恢復的，當溫度回到原來的值，光強也會回復到原來的狀態。

　　2.2  結溫對發光波長的影響
    
  　結溫所引致的LED發光波長的變化將直接造成人眼對LED發光顏色的不同感受。對于一個LED器件，發光區材料的禁帶寬度值直接決定了器件發光的波長或顏色。InGaAlP與InGaN材料屬III-V族化合物半導體，當它們溫度升高時，材料的禁帶寬度將減小，導致器件發光波長變長，顏色發生紅移。

　　有經驗公式表明，波長與結溫Tj的關系為：

 λ（T2）=λ（T1）+kΔT

　　其中：λ（T2）表示結溫T2時的波長；λ（T1）表示結溫T1時的波長；K表示波長隨溫度變化的系數。
  
　　2.3  結溫對LED正向電壓的影響

  　  正向電壓是判定LED性能的一個重要參量，它的數值取決于半導體材料的特性，芯片尺寸以及器件的成結與電極制作工藝。對于一個確定的LED芯片，二端的正向壓降與溫度的關系可由下式表示：

VfT= VfTo+K（T-To） 

　　式中：VfT與VfTo分別表示結溫為T與To時的正向壓降，K是壓降隨溫度變化的系數 。
    
　　2.4　結溫對發光效率ηv的影響

　　LED發光效率用公式表現如下：

　　在輸入功率一定時：

　　1. 熱量 結溫正向壓降V電流I熱量發光效率

    2. LED內部會形成自加熱循環，如果不及時引導和消散LED的熱量，LED的發光效率將不斷降低。

    2.5  高溫下器件性能的衰變

　　在高溫下，LED的光輸出特性除會發生可恢復性的變化外，還將隨時間產生一種不可恢復的永久性的衰變。

    通常有以下原因促成高溫條件下LED器件輸出性能的永久性衰減：
　　1.  材料內缺陷的增殖，侵入發光區，形成大量的非輻射復合中心，嚴重降低器件的注入效率與發光效率。

    2.  另外，在高溫條件下，材料內的微缺陷及來自界面與電板的快擴雜質也會引入發光區，形成大量的深能級，同樣會加速LED器件的性能衰變。

    3.  高溫時，LED封裝環氧的變性，是LED性能衰變乃至失效的又一個主要原因。
    3、LED燈具熱傳路徑分析

　　3.1 LED熱性能參數

  　LED芯片的散熱方式主要是傳導和對流。其中，衡量散熱性能的一個重要指標為結溫Tj，其表達式為：

TJ= TA+Rth×PD 

　　式中：PD為熱耗散功率 ，Rth為LED的熱阻，Tj和Ta分別為結溫和環溫。通常，對于同樣大小功率的LED燈具來講，其結溫越小，則性能越好。
　　3.2  高功率LED燈具熱傳路徑

    對于高功率LED照明燈具，它的結構形式也不盡相同，其傳熱途徑和熱阻也略有區別。然而其大體上可沿著以下路徑傳導：結點、熱沉、MCPCB、散熱器、空氣。

    4 、LED燈具散熱模塊熱傳材料介紹
   
　　4.1  LED散熱基板材料

    在LED產品應用中，通常需要將多個LED光源組裝在一電路基板上。電路基板除了扮演承載LED模塊結構的角色外，另一方面，隨著LED輸出功率越來越高，基板還必須扮演散熱的角色，以將LED晶體產生的熱傳派出去，因此在材料選擇上必須兼顧結構強度及散熱方面的要求。
   
　　傳統LED由于LED發熱量不大，散熱問題不嚴重，因此只要運用一般的銅箔印刷電路板(PCB)即可。但隨著高功率LED越來越盛行PCB已不足以應付散熱需求。因此需再將印刷電路板貼附在一金屬板上，即所謂的Metal Core PCB，以改善其傳熱路徑。另外也有一種做法直接在鋁基板表面直接作絕緣層或稱介電層，再在介電層表面作電路層，如此LED模塊即可直接將導線接合在電路層上。

　　除此之外，新型發展起來的散熱基板材料，還有陶瓷基板(Ceramic Substrate) 、直接銅結合基板(Direct Copper Bonded Substrate) 、LED復合材料基板(Composite Substrate)等。
　　接下來介紹了幾種常見的LED基板材料，并作了比較。    　　

應根據實際產品應用選擇基板材料，低功率LED發熱量不大，用PCB基板即可，對高功率LED，為滿足其散熱要求，采用MCPCB基板。我們平日所見的大功率LED照明燈具大多數使用的是鋁基的MCPCB。

　　4.2  LED界面材料

 　 由于散熱器底面與鋁基板表面之間會存在很多溝壑或空隙，其中都是空氣。由于空氣是熱的不良導體，所以空氣間隙會嚴重影響散熱效率，使散熱器的性能大打折扣，甚至無法發揮作用。為了減小芯片和散熱器之間的空隙，增大接觸面積，必須使用導熱性能好的導熱材料來填充，如導熱膏、導熱墊片、導熱硅酯、導熱黏合劑、相轉變材料等。

　　4.3  散熱器

　　散熱器的作用就是吸收基板或芯片傳遞過來的熱量，然后發散到外界環境，保證LED芯片的溫度正常。絕大多數散熱器均經過精心設計，可適用于自然對流和強制對流的情況。即主動式散熱器和被動式散熱器。其各自的性能特點見下表：

    當然，對于大功率照明用LED燈具，被動式散熱器（即不含風扇的散熱器）應用更為廣泛。通常我們選用的散熱器材料要同時具有高比熱和高熱傳導系數，鋁的這兩個參數都居于前列，是一個相當不錯的選擇。目前絕大多數散熱器都采用鋁合金作為主要材料，最為廣泛的鋁擠散熱器和鋁壓鑄散熱器。Fin片型散熱器

　　對于大功率LED照明燈具，也有不少廠家推出各種較為新穎的主動散熱器模組，如Fin片＋風扇、Fin片+熱管、液體強迫對流、微通道致冷、相變致冷等。尤其是將相變傳熱的熱管和扁平熱管（Vapor chamber）技術引入LED照明設計中，更衍生出各種效果明顯的散熱產品。以下為筆者根據自身多年散熱經驗，正在開發的一些散熱方案或構想，有興趣的朋友可以按此方向做一些設計和實驗。

　　5 、結論

　　對于大功率LED燈具 ,由于其輸入功率的進一步提高,更多熱量需要有效地耗散掉 ,因此大功率LED燈具的散熱問題對于 LED 的發展是一個挑戰。本文在討論LED照明熱傳的基礎上，對各種散熱材料和產品也做了初步介紹，希望可以為今后的LED散熱設計工作者提供一些指引和參考。

    作者：深圳精能實業 LED研發部經理 文林