LED的散熱
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圖1.光衰和結溫的關系
而且，結溫不但影響長時間壽命，也還直接影響短時間的發(fā)光效率，例如Cree公司的XLamp7090XR-E的發(fā)光量和結溫的關系如圖2所示。
圖2.結溫和發(fā)光量的關系
假如以結溫為25度時的發(fā)光為100%，那么結溫上升至60度時，其發(fā)光量就只有90%；結溫為100度時就下降到80%；140度就只有70%。可見改善散熱，控制結溫是十分重要的事。
除此以外LED的發(fā)熱還會使得其光譜移動；色溫升高；正向電流增大（恒壓供電時）；反向電流也增大；熱應力增高；熒光粉環(huán)氧樹脂老化加速等等種種問題，所以說，LED的散熱是LED燈具的設計中最為重要的一個問題。
第一部分LED芯片的散熱
一.結溫是怎么產生的
LED發(fā)熱的原因是因為所加入的電能并沒有全部轉化為光能，而是一部分轉化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W，其電光轉換效率大約只有20~30%左右。也就是說大約70%的電能都變成了熱能。
具體來說，LED結溫的產生是由于兩個因素所引起的。
1．內部量子效率不高，也就是在電子和空穴復合時，并不能100％都產生光子，通常稱為由“電流泄漏”而使PN區(qū)載流子的復合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率，也就是轉化為熱能，但這部分不占主要成分，因為現(xiàn)在內部光子效率已經接近90％。
2．內部產生的光子無法全部射出到芯片外部而最后轉化為熱量，這部分是主要的，因為目前這種稱為外部量子效率只有30％左右，大部分都轉化為熱量了。
雖然白熾燈的光效很低，只有15lm/W左右，但是它幾乎將所有的電能都轉化為光能而輻射出去，因為大部分的輻射能是紅外線，所以光效很低，但是卻免除了散熱的問題。
二.LED芯片到底板的散熱
LED芯片的特點是在極小的體積內產生極高的熱量。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出去，否則就會產生很高的結溫。為了盡可能地把熱量引出到芯片外面，人們在LED的芯片結構上進行了很多改進。
為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的改進就是采用導熱更好的襯底材料。早期的LED只是采用Si硅作為襯底。后來就改為藍寶石作為襯底。但是藍寶石襯底的導熱性能不是太好，（在100°C時約為25W/（m-K）），為了改善襯底的散熱，Cree公司采用碳化硅硅襯底，它的導熱性能（490W/（m-K））要比藍寶石高將近20倍。而且藍寶石要使用銀膠固晶，而銀膠的導熱也很差。而碳化硅的唯一缺點是成本比較貴。目前只有Cree公司生產以碳化硅為襯底的LED。
圖3.藍寶石和碳化硅襯底的LED結構圖
采用碳化硅作為基底以后，的確可以大為改善其散熱，但是其成本過高，而且有專利保護。最近國內的廠商開始采用硅材料作為基底。因為硅材料的基底不受專利的限制。而且性能還優(yōu)于藍寶石。唯一的問題是GaN的膨脹系數(shù)和硅相差太大而容易發(fā)生龜裂，解決的方法是在中間加一層氮化鋁（AlN）作緩沖。
| 襯底材料 | 導熱系數(shù) W/(m·K) | 膨脹系數(shù) (x10E-6) | 穩(wěn)定性 | 導熱性 | 成本 | ESD (抗靜電) |
| 碳化硅(SiC) | 490 | -1.4 | 良 | 好 | 高 | 好 |
| 藍寶石(Al2O3) | 46 | 1.9 | 一般 | 差 | 為SiC的1/10 | 一般 |
| 硅(Si) | 150 | 5~20 | 良 | 好 | 為藍寶石的1/10 | 好 |
LED芯片封裝以后，從芯片到管腳的熱阻就是在應用時最重要的一個熱阻，一般來說,芯片的接面面積的大小是散熱的關鍵，對于不同的額定功率，要求有相應大小的接面面積。也就表現(xiàn)為不同的熱阻。幾種類型的LED的熱阻如下所示：
| 類型 | 草帽管 | 食人魚 | 1W | 面發(fā)光 |
| 熱阻 oK/W | 150-200 | 50 | 8-15 | 5 |
早期的LED芯片主要靠兩根金屬電極而引出到芯片外部，最典型的就是稱為ф5或F5的草帽管，它的散熱完全靠兩根細細的金屬導線引出去，所以散熱效果很差，熱阻很大，這也就是為什么這種草帽管的光衰很嚴重的原因。此外，封裝時采用的材料也是一個很重要的問題。小功率LED通常采用環(huán)氧樹脂作為封裝材料，但是環(huán)氧樹脂對400-459nm的光線吸收率高達45%，很容易由于長期吸收這種短波長光線以后產生的老化而使光衰嚴重，50%光衰的壽命不到1萬小時。因而在大功率LED中必須采用硅膠作為封裝材料。硅膠對同樣波長光線的吸收率不到1%。從而可以把同樣光衰的壽命延長到4萬小時。
下面列出各家LED芯片公司所生產的各種型號LED的熱阻
| 公司名稱 | 芯片型號 | 芯片類型 | 熱阻 °C/W |
| 億光 | EHP5393 | 1W冷白 | 13 |
| 億光 | EHP－A08L/UT01 | 1W，5600K | 15 |
| 愛迪生 | Edixeon S series | 1W，5K-8K | 13-14 |
| 愛迪生 | Edixeon K series | 1W, | 8 |
| Lumenled | Luxeon Emitter | 1W，4.5K-5.5K | 15 |
| Nichia | NJSL036AT | 1W， | 30 |
| Cree | XLamp7090XR-E | 1W | 8 |
| Cree | XLampXP-G | 1W | 6 |
| 小功率LED | |||
| 光寶（Lite-On） | LTW-M670ZVS（3020） | 0.07W，20mA | 160 |
| 琉明斯 | 3014 | 0.1W，30mA |
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