【摘要】大功率LED應用非常廣泛，其能耗小，照明強度高，當大規(guī)模芯片整合后，提高了LED的散熱能量，若芯片發(fā)出的熱量得不到及時處理將會影響LED陣列使用壽命，本文通過分析LED陣列工作原理，討論大功率LED散熱的常用技術，討論散熱技術關鍵參數(shù)。

【關鍵詞】大功率 LED 散熱技術

LED是發(fā)光二極管的簡稱，它是基于半導體管芯的發(fā)光材料，伴隨著半導體材料研究技術的日益成熟，規(guī)?；l(fā)光二極管被廣泛應用。LED發(fā)光二級管能耗小，照明強度大，使用壽命長，可根據(jù)特定需求設計出不同規(guī)格尺寸，已被廣泛應用于室內裝修，車輛，道路和城市照明領域。在實際工作中，LED 的功率是無法達到100%的，將近有80%的輸入功率要轉換為熱損耗，隨著大規(guī)模、矩陣型的LED燈的使用，能耗也會變得越來越 大，如果不能及時的處理散熱問題，將會導致熱量集中在二極管的 PN結，就會降低LED燈的使用壽命，嚴重時甚至會燒毀LED。

1、大功率LED的工作原理分析

1、LED結構

PN結是發(fā)光二極管(LED)的核心，主要是半導體材料構成的， 主要是GaAs（砷化稼)、GaP(磷化稼)、GaAsP(磷砷化稼)等半導體作為PN結的主要材料，在一般情況下，LED的主要PN結是一個以 5mm 常規(guī)半徑構成，在PN結的邊緣利用0.23mm的正方形管芯將PN 結粘接或者燒結在帶引線的二極管支架上，將引線作為二極管的陰極，球形觸點的金絲鍵作為二極管的內引線，然后在它們連接到另一支架上，將多個二極管連接在一起就形成了大規(guī)模的LED矩陣。LED發(fā)光二極管的工作原理是將電能轉化為光能的過程，當二極管的PN結兩端加上正向偏壓時，二極管的PN電位發(fā)生變化，此時,P區(qū)正離子電荷開始流向N結,N結負離子電荷同時流向P結,P結和N結開始產(chǎn)生電勢差。在電光轉換過程中,PN結的兩端負載正向偏壓時會使P結和N結的區(qū)域產(chǎn)生非電荷平衡，從而使P結和N結組成的體系，所生成的載流子具有不穩(wěn)定性,PN結內非平衡空穴需要和導帶上的電子進行復合才能產(chǎn)生電流，同時所生成的過剩載流子容量也將以光的方式輻射出去。

2、大功率LED陣列的熱效應及影響

目前由于大型LED矩陣所產(chǎn)生的熱如果不及時散熱將會影響LED矩陣的正常工作，通常LED矩陣發(fā)光效率所利用的能量僅能達到20%左右，其中80%是以熱形式散發(fā)，若LED光通能量符合標準普通照明光通量應在1000流明以上，我們常用的LED照明光源LED（1mmX1mm）功率通常在1瓦左右，且生成熱流密度可達106 W/mz或更高，此時需要能及時傳導所生成熱流，不然會累積于LED芯片內，進而造成芯片結溫增加，最后燒壞芯片。這是LED芯片設置必須要解決的問題，當多個芯片封裝在一起時，在增加光通量的同時，也產(chǎn)生的更多的熱量散熱問題。電流持續(xù)通過PN結， 在LED光通量增加的同時，還會導致PN結的溫度升高，進而就會影響LED的PN結內部的電子濃度，同時也會影響PN結的空穴濃度，禁帶寬度等參數(shù)，如果長時間的不能散熱，就需導致PN結的正向偏壓、發(fā)光效率、主波長等受到影響，這樣就會影響LED的使用壽命，也會影響LED的正常工作。當LED結溫的升高時，就會改變PN結之間的載流子的流動，這樣會嚴重破壞PN結的正向偏壓， 導致LED不能夠正常工作。如果PN結溫度持續(xù)升高，它的工作環(huán)境就會發(fā)生變化，這時，PN結兩邊的熱平衡電子濃度就會發(fā)生變化，導致大量的少子產(chǎn)生，從而就會很快的激發(fā)PN結載流子的濃 度比雜質比就和增加，這時就會導致PN結的歐姆接觸電阻的電阻率下降，就會將雜質半導體變成了本征半導體，造成PN結的功能消失，進而會影響PN結的正常工作。

2、大功率LED散熱技術處理

大功率LED陣列技術芯片密度較高,LED光電轉化效率僅為20%，其他轉化成熱能尤其是LED芯片密度越來越高，則使LED操作溫度升高，從而降低LED等使用壽命；LED操作溫度從63°C升至74°C后。LED的平均壽命會降低四分之三，如果要提高LED的發(fā)光效率，就需要對LED的散熱進行處理，降低LED的PN結的結溫。

1、風冷散熱技術

空冷散熱一般主要采用的是空氣對流散熱的技術，它主要分為自然對流散熱和強迫對流散熱技術兩種方式，空冷散熱技術主要利用空氣流動來散熱，本實用新型以空氣為冷卻劑增加LED器件四周空氣流動，則可實現(xiàn)功率型LED設備散熱，且風冷散熱技術結構簡單，并且該LED器件還具有結構相對簡單、便于封裝處理、構造簡單、裝置成本相對低廉、其工作非?？煽?、并且風冷散熱技術相對成熟等特點，但其散熱效率較低，通常只適用于小功率LED散熱系統(tǒng)。在自然對流散熱技術的運用中，采用散熱器可以增加LED器件的散熱面積，改善LED器件的散熱性能，也能夠 降低LED基板器件的相關系數(shù)，而影響LED散熱性能的因素有多種 情況，例如散熱器基板的導熱系數(shù)、器件的對流換熱系數(shù)等。散熱器的散熱面積直接影響著LED的散熱情況，而散熱器的形狀對LED 的散熱效率影響十分巨大。隨著LED芯片功率越來越大，對芯片散熱要求越來越高，而利用自然對流無法達到散熱要求，必須利用小風扇提高LED器件散熱區(qū)域內空氣對流速率，然后提高散熱器散熱系數(shù)，具體設計時，為抑制風扇發(fā)出的噪聲，需把風扇設計得相對較小，甚至融入到LED系統(tǒng)，讓其技能實現(xiàn)散熱，還能降低風扇噪音。

2、水冷散熱技術

LED水冷散熱系統(tǒng)是大功率LED設備中常用的散熱技術之一， 它的散熱介質主要是以去離子水為主，充分利用水的循環(huán)流動進行散熱。水冷散熱技術系統(tǒng)主要由水泵、基板、導水管等部件構成， 它采用水在導水管中的流動，達到對LED器件進行散熱的目的。本實用新型通過散熱管也增大了LED散熱面積,LED芯片工作過程中的熱量被轉移到基板上，水泵的主要作用就是對散熱器進行水循環(huán)供電，本實用新型確保離子水可以循環(huán)流動，并由LED芯片把產(chǎn)生的熱轉移到LED基板器件上，進而由基板把熱點轉移到水中，最后由導水管利用水流把熱帶走，從而實現(xiàn)特定散熱。采用水冷散熱系統(tǒng)可以快速的降低LED芯片帶來 的熱量，與風冷散熱相比，雖然水泵在運行的過程中還會產(chǎn)生一定的噪聲，但水冷散熱能夠快速的散熱，具有安靜、對環(huán)境依賴比較小等優(yōu)點，在一些中小型的LED設備中得到了廣泛的應用。

3、熱管散熱技術

熱管散熱技術也較為普遍地應用于LED器件的散熱，其主要采用傳統(tǒng)的熱相變增強導熱器件換熱，通常熱管散熱技術包括管殼，吸液芯及端蓋幾個部分。在LED的熱管設計中，熱管的一端設計為蒸發(fā)段（加熱段），便于吸收LED器件散發(fā)的熱量，另一端設計為冷凝段（冷卻段），其作用是將傳導的熱降溫，高功率LED陣列通常主要通過導熱膠將其與蒸發(fā)段管壁粘接在一起，從而確保能高效地為LED散熱，熱管工作過程中，管體內冷卻液被蒸發(fā)段吸熱蒸發(fā)，則可將LED器件發(fā)出的熱帶走，當蒸汽從蒸汽腔流入冷凝段，在放出熱量同時，也受到冷卻段的冷凝，然后被冷卻液體，達到對LED降溫的目的，經(jīng)過冷卻的液體在LED器件的毛細結構絲網(wǎng)產(chǎn)生的毛細力作用下，然后再回流到蒸發(fā)段，這樣通過熱管冷之間的液體、氣體之間的循環(huán)，達到對LED器件進行降溫的目的，采用熱管冷卻技術的缺點是設備的制作工藝復雜比較復雜，體積極大，而且設備的成本比較高，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性不高。

4、熱電散熱技術

熱電散熱技術利用LED陣列通電發(fā)光后所產(chǎn)生的熱能經(jīng)導熱材料進行傳導，并通過冷凝設備進行吸熱，主要利用熱與電的調控來實現(xiàn)散熱，其原理就是基于熱電效應。在沒有外磁場的情況下，熱電散熱技術包括導熱設備和焦耳熱損失的影響原理，使用熱電散熱技術的主要好處在于其散熱密度較高，散熱結果更加緊湊且能緊密結合IC工藝，系統(tǒng)結構集成效果更佳。與其他傳統(tǒng)散熱方式相比，采用熱電散熱器能夠快速的降低LED器件溫度，能夠快速的使得LED系統(tǒng)的溫度降低到36%以上，而且這種技術還可以進行突破，通過選擇冷效率高的熱導材料，并通過優(yōu)化熱電傳導設備結構進行散熱，典型的熱電散熱技術結構如圖2所示。

5、熱聲散熱技術

熱聲制冷技術主要采用熱聲效應來實現(xiàn)LED器件散熱的目的， 熱聲效應的工作原理是將LED工作時產(chǎn)生的熱量加入到聲波密集區(qū)域，在設備的聲波稀疏時將LED系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量排出，然后聲波的能量就會加強。由于聲波在空氣中進行傳播時，就會產(chǎn)生壓力波動或者位移的波動，通過聲波產(chǎn)生的壓力波動達到散熱的目的。聲波在傳播過程中，會受散熱器溫度變化而產(chǎn)生起伏。若當氣體壓力，位移和溫度變化為時，則與散熱器邊界接觸從而能迅速傳遞熱能，使聲波和熱能相互轉化，然后實現(xiàn)散熱，利用聲波進行散熱具有制冷零件少，且使用成本低，散熱結構相對簡單等優(yōu)點。

3、LED散熱技術指標分析

1、PN結結溫

PN結結溫主要由PN通電時出現(xiàn)問題引起，通常指代LED芯片結溫還指代高功率LED芯片主動區(qū)域結溫。PN結運行過程中，電極間電壓的存在將引起P接和N結溫差，而影響PN結結溫度的主要因素是:

（1）LED元器件不良的電極結構。LED的PN結合材料直接影響著LED的導電情況與PN結的結溫，主要包括PN結的區(qū)域材料、 導電銀膠以及視窗層襯底等部分都具有一定的電阻值，如果將這些電阻串聯(lián)在一起，在電流經(jīng)過時，就會在PN通電時產(chǎn)生大量的熱能，如果不能及時將這些熱能排出，進而能夠導致PN結或者芯片的溫度提升。

（2）LED元器件工作時的光電效應。當PN結開始工作時，P 區(qū)流向N區(qū)得電荷只有20%的轉換成光能，剩余的轉換為熱能，才能熱能就是十分巨大的，而且N區(qū)域向P區(qū)產(chǎn)生電荷移動時的能量全部轉變成熱能，這也會影響PN結的結溫，如果PN結的光電效能較差的話，就會導致PN結的結溫增加。

（3）LED內部器件熱散失能力影響PN結的結溫。由于多數(shù)LED器件內部通常由透明環(huán)氧樹脂材料制成，其導熱率較低，因此PN結區(qū)域所產(chǎn)生熱能僅有小部分由內部器件釋放，并且絕大部分熱量都散發(fā)在該透明環(huán)氧樹脂材料原料上，對LED用PCB基板和熱沉以及其他散熱器方向散熱，這將造成LED散熱效率提高和PN結結溫增加。

（4）PN結的制作工藝。目前，在LED的制作工藝都采用了先進的技術水平，幾乎能夠將全面的電能轉化為熱能，但是如果LED 的PN周圍的介質對光的折射系數(shù)過大，就會將反射回芯片內，從而也會導致PN結的結溫過高。

2、LED熱阻對散熱指標的影響

LED熱阻又是描述LED熱性能的重要參數(shù)，若LED設備熱阻較低，則表示系統(tǒng)散熱性能良好，同時也表示LED散熱通道較為順暢，內部散熱設計得越好，使LED所產(chǎn)生熱量越易散去，系統(tǒng)散熱性能也越好，在系統(tǒng)散熱良好的情況下，使LED芯片的結溫越易降低，可以提高LED壽命。一般地，LED的發(fā)熱中心主要是芯片的有源區(qū)，在設計的時候，如果將LED的芯片尺寸設計 的相對面積比較大，而且還比較薄，這時，可以假定LED散熱是沿著芯片的截面方向垂直傳遞，對LED的熱阻進行分析，從PN結向外部熱沉，這樣LED的熱擴散方式就是向外進行擴散。在LED熱阻分析中，熱阻可分為內熱阻與外熱阻2種表現(xiàn)形式，內熱阻為LED芯片所固有，屬LED芯片內在性質，它關系到LED芯片的制造材料、形狀和生產(chǎn)工藝，對LED芯片散熱性能有著舉足輕重的影響。外熱阻即LED芯片外殼體，外熱沉，它直接關系到LED外材料，外熱阻和外殼體封裝材料有關、形式與外接熱沉導熱率有直接關系，外接熱阻較大，造成LED芯片整體散熱率降低。

4、結束語

LED在現(xiàn)實生活中應用十分廣泛，為了提高LED的使用效率，需要對LED的散熱效果進行有效的設計，大功率LED陣列的工作壽命與LED的散熱性能有著直接的關系，一般來說,LED運行時，電能僅有20%轉化為光能，其余僅轉化為熱能，由此可見LED運行時在特定的運行過程中會產(chǎn)生很多熱能，這就需要在LED系統(tǒng)設計中， 加強對LED的散熱性能進行設計，有效的控制LED的散熱方式，通過采用各種散熱技術方法來提升LED的散熱效果。在具體的設計中，需要根據(jù)LED的使用方法以及LED陣列功率的大小，采用不同的散熱技術與散熱效果較好的材料，在對PN結的結溫進行控制的同時，還要能夠有效的降低散熱器的熱阻，提高散熱器的散熱效果。