本文重點從封裝角度對LED的散熱性能進行熱分析，并進行熱設(shè)計。采用COB技術(shù)，直接將LED芯片封裝在鋁基板上，縮短了熱通道和熱傳導(dǎo)的距離，從而降低了LED的結(jié)溫，設(shè)計出一種基于COB技術(shù)的LED。分析其等效熱阻網(wǎng)絡(luò)，比較不同封裝方法對整個LED器件散熱性能的影響，并進行紅外熱像圖分析。

    引言

    LED器件在工作中的功率損耗通常以熱能耗散的形式表現(xiàn)，任何具有電阻的部分都成為一個內(nèi)部熱源，導(dǎo)致熱密度急劇上升，于是器件本身溫度也隨之上升，同時周圍的環(huán)境溫度也會影響內(nèi)部溫度，從而影響到LED的可靠性、性能和壽命。研究表明，隨著溫度的增長，芯片失效率有增長的趨勢，因此對LED封裝時進行可靠的熱設(shè)計，實施有效的熱控制措施是提高其可靠性的關(guān)鍵。

    在電子行業(yè)，器件環(huán)境溫度每升高10℃時，往往其失效率會增加一個數(shù)量級，這就是所謂的“10℃法則”。當(dāng)前采用的方法大多是從電路板的材料考慮，選用一些熱導(dǎo)率高、穩(wěn)定的材料，如銅、鋁、陶瓷等。但僅僅通過電路板來改善散熱問題是不夠的，還要通過其他熱設(shè)計的方法來提高LED的散熱性能。

    散熱技術(shù)

    任何電子器件及電路都不可避免地伴隨有熱量的產(chǎn)生，而要提高其可靠性以及性能，則必須使熱量達到最小程度，采用適當(dāng)?shù)纳峒夹g(shù)就成為了關(guān)鍵。

    物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時，能量的傳遞就被稱為熱傳導(dǎo)，這是最普遍的一種熱傳遞方式，由能量較低的粒子和能量較高的粒子直接接觸碰撞來傳遞能量。相對而言，熱傳導(dǎo)方式局限于固體和液體，因為氣體的分子構(gòu)成并不是很緊密，它們之間能量的傳遞被稱為熱擴散。

    熱傳導(dǎo)的基本公式為：

    Q=K×A×ΔT/ΔL （1）

    其中Q代表為熱量，也就是熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生或傳導(dǎo)的熱量；K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱傳導(dǎo)系數(shù)類似比熱，但又與比熱有一些差別，熱傳導(dǎo)系數(shù)與比熱成反比，熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，其比熱的數(shù)值也就越低。舉例說明，純銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)為396.4，而其比熱則為0.39；公式中A代表傳熱的面積（或是兩物體的接觸面積），ΔT代表兩端的溫度差；ΔL則是兩端的距離。因此，從公式中我們就可以發(fā)現(xiàn)，熱量傳遞的大小同熱傳導(dǎo)系數(shù)、傳熱面積成正比，同距離成反比。熱傳遞系數(shù)越高、熱傳遞面積越大，傳輸?shù)木嚯x越短，那么熱傳導(dǎo)的能量就越高，也就越容易帶走熱量。

    LED的散熱性能和封裝

    LED作為一代新光源，逐步應(yīng)用到普通照明中來，其最基本的光學(xué)要求即光通量，目前提高LED光通量有兩種方式，分別為增加芯片亮度以及多顆密集排列等方式，這些方法都需輸入更高功率的能量，而輸入LED的能量，只有少部分會轉(zhuǎn)換成光源，大部分都轉(zhuǎn)成熱能，在單顆封裝內(nèi)送入倍增的電流，發(fā)熱自然也會倍增，因此在如此小的散熱面積下，散熱問題會逐漸惡化。

    與傳統(tǒng)光源一樣，LED在工作期間也會產(chǎn)生熱量，其多少取決于整體的發(fā)光效率。在外加電能量作用下，電子和空穴的輻射復(fù)合發(fā)生電致發(fā)光，在PN結(jié)附近輻射出來的光還需經(jīng)過LED芯片本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達外界。綜合電流注入效率、輻射發(fā)光量子效率、晶片外部出光效率等，最終大概只有30%~40％的輸入電能轉(zhuǎn)化為光能，其余60%~70％的能量主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點陣振動的形式轉(zhuǎn)化成熱能。而LED芯片溫度的升高，則會增強非輻射復(fù)合，進一步削弱發(fā)光效率，并且縮短壽命。LED燈所采用的散熱技術(shù)必須能夠有效降低發(fā)光二級管PN結(jié)到環(huán)境的熱阻，才能盡可能降低LED的PN結(jié)溫度來提高LED燈的壽命。

    圖1所示為在工作電流恒定的條件下，Lumidleds1W LED的光衰與結(jié)溫的關(guān)系曲線，可見結(jié)溫越高，光通量衰減越快，壽命也就越短。

    1. LED的散熱

    LED的散熱性能參數(shù)主要是指結(jié)溫和熱阻。LED的結(jié)溫是指PN結(jié)的溫度，LED的熱阻一般是指PN結(jié)到外殼表面之間的熱阻。結(jié)溫是直接影響LED工作性能的參數(shù)，熱阻則是表示LED散熱性能好壞的參數(shù)。熱阻越小，LED的熱量越容易從PN結(jié)傳導(dǎo)出來，LED的結(jié)溫越低，LED的持續(xù)光效越高，壽命也越長。

    當(dāng)LED的PN結(jié)溫度升高時，會導(dǎo)致LED的正向?qū)▔航禍p小，意味著一旦回路中的LED出現(xiàn)過度溫升，PN結(jié)對此的響應(yīng)會使LED的溫度進一步升高，如果LED芯片的溫度超過一定值，整個LED器件就會損壞，這一溫度值即臨界溫度。不同封裝材料的LED的臨界溫度不同，即使是同一材料，封裝工藝等因素也會影響臨界溫度。與傳統(tǒng)光源不同的是，印制電路板既是LED的供電載體，同時也是散熱載體。因此，印制電路板的散熱設(shè)計（包括焊盤設(shè)置、布線和鍍層等）對LED的散熱性能尤為重要。

    2. 封裝工藝對散熱性能的影響

    目前市場上對LED芯片的封裝以單顆封裝為主，單顆封裝如僅應(yīng)用在1~4顆LED散光燈，散光燈點亮?xí)r間短暫，故熱累積現(xiàn)象不明顯。如應(yīng)用在日光燈上，要緊密排列并較長時間點亮，因此在有限的散熱空間內(nèi)難以及時地將這些熱排除于外。

    LED芯片的特點是在極小的體積內(nèi)產(chǎn)生極高的熱量。而LED本身的熱容量很小，所以必須以最快的速度把這些熱量傳導(dǎo)出去，否則就會產(chǎn)生很高的結(jié)溫。

    雖然LED芯片架構(gòu)與原物料是影響LED熱阻大小的因素之一，減少LED本身的熱阻是先期條件，但畢竟對改善散熱能力影響有限，所以通過選擇適當(dāng)?shù)腖ED封裝工藝技術(shù)成為對LED進行散熱設(shè)計的主要方法。表1列出的是市場上常見的幾種不同封裝工藝LED的熱阻。

    可見采用COB技術(shù)封裝的LED相比于其他封裝工藝熱阻最小。

    3.材料對散熱性能的影響

    封裝工藝確定后，通過選取不同的材料進一步降低LED器件的熱阻，提高LED的散熱性能。目前國內(nèi)外常針對基板材料、粘結(jié)材料和封裝材料進行擇優(yōu)選擇。

    不同導(dǎo)熱系數(shù)的基板材料，如銅、鋁等對于LED熱阻大小的影響很大，因此選取合適的基板也是降低LED元件熱阻的方法之一。表2為采用不同材料制成基板的性能對比，綜合看來，鋁基板*佳，具有高熱導(dǎo)率、抗腐蝕、成本低等優(yōu)點。

    COB封裝LED的散熱性能分析

    4.熱阻分析

    本文采用COB技術(shù)封裝多個小功率LED芯片，將LED芯片直接封裝在鋁基板上，擴大了散熱面積，并除去了不必要的環(huán)節(jié)來減少熱通道，跳過SMD式封裝LED中的支架這一環(huán)節(jié)，分析等效熱阻如圖2所示。

    基于COB技術(shù)的LED明顯減少了結(jié)構(gòu)熱阻和接觸熱阻，由于散熱路徑較短，LED芯片在工作中產(chǎn)生的熱能可以有效傳遞至外界，因為具有這樣的特性，COB封裝可以比傳統(tǒng)SMD封裝維持更低的LED芯片結(jié)溫，使LED器件具有良好的散熱性能。

    5. 實驗結(jié)果

    將基于COB技術(shù)封裝的LED器件和SMD封裝LED用紅外熱像儀進行對比分析。任何有溫度的物體都會發(fā)出紅外線，紅外熱像儀接收物體發(fā)出的紅外線，通過有顏色的圖片來顯示溫度分布，根據(jù)圖片顏色的微小差異來找出溫度的異常點，從而起到檢測與維護的作用。

    實驗中，將兩種封裝方式LED的鋁基板放置到加熱器上，以同樣的熱量加熱，每個LED芯片的功率都為0.06W，開通直流電源10min。紅外熱像儀將鋁基板發(fā)出的不可見的能量轉(zhuǎn)變成可見的圖像，圖像上面不同顏色表示鋁基板表面的不同溫度，通過圖片的顏色分析散熱情況。

    得到COB封裝的LED器件和SMD封裝LED的紅外熱像圖如圖3和圖4所示。

    通過觀察分析紅外熱像圖可見，采用COB技術(shù)封裝的LED顏色均勻、無斑點，表示導(dǎo)熱均勻，耐熱性較好；SMD封裝的LED顏色不均、有斑點，表示熱量分布不均勻，散熱性能不佳。

    結(jié)束語

    本文分析了基于COB技術(shù)的LED的散熱性能，對使用該方法封裝的LED器件做了等效熱阻分析和紅外熱像實驗，結(jié)果表明：采用COB技術(shù)封裝制成的LED器件縮短了散熱通道、增大了散熱面積、減小了熱阻，從而提高了LED的散熱性能，對LED器件的各方面性能起到良好的作用，延長了使用壽命。