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結(jié)溫是怎么產(chǎn)生的？
LED發(fā)熱的原因是因?yàn)樗尤氲碾娔懿](méi)有全部轉(zhuǎn)化為光能，而是一部分轉(zhuǎn)化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W，其電光轉(zhuǎn)換效率大約只有 20~30%左右。也就是說(shuō)大約70%的電能都變成了熱能。

具體來(lái)說(shuō)，LED結(jié)溫的產(chǎn)生是由于兩個(gè)因素所引起的。

內(nèi)部量子效率不高，也就是在電子和空穴復(fù)合時(shí)，并不能100％都產(chǎn)生光子，通常稱為由“電流泄漏”而使PN區(qū)載流子的復(fù)合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率，也就是轉(zhuǎn)化為熱能，但這部分不占主要成分，因?yàn)楝F(xiàn)在內(nèi)部光子效率已經(jīng)接近90％。

內(nèi)部產(chǎn)生的光子無(wú)法全部射出到芯片外部而最后轉(zhuǎn)化為熱量，這部分是主要的，因?yàn)槟壳斑@種稱為外部量子效率只有30％左右，大部分都轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為光能而輻射出去，因?yàn)榇蟛糠值妮椛淠苁羌t外線，所以光效很低，但是卻免除了散熱的問(wèn)題。

1、LED芯片到底板的散熱
LED芯片的特點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生很高的結(jié)溫。為了盡可能地把熱量引出到芯片外面，人們?cè)贚ED的芯片結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了很多改進(jìn)。

為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的改進(jìn)就是采用導(dǎo)熱更好的襯底材料。早期的LED只是采用Si硅作為襯底。后來(lái)就改為藍(lán)寶石作為襯底。但是藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱性能不是太好，（在100°C時(shí)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(dǎo)熱性能（490W /（m-K））要比藍(lán)寶石高將近20倍。而且藍(lán)寶石要使用銀膠固晶，而銀膠的導(dǎo)熱也很差。而碳化硅的唯一缺點(diǎn)是成本比較貴。目前只有Cree公司生產(chǎn)以碳化硅為襯底的LED。

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(guò)高，而且有專利保護(hù)。最近國(guó)內(nèi)的廠商開(kāi)始采用硅材料作為基底。因?yàn)楣璨牧系幕撞皇軐＠南拗?。而且性能還優(yōu)于藍(lán)寶石。唯一的問(wèn)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。

 

LED芯片封裝以后，從芯片到管腳的熱阻就是在應(yīng)用時(shí)最重要的一個(gè)熱阻，一般來(lái)說(shuō),芯片的接面面積的大小是散熱的關(guān)鍵，對(duì)于不同的額定功率，要求有相應(yīng)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：

早期的LED芯片主要靠?jī)筛饘匐姌O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?jī)筛?xì)細(xì)的金屬導(dǎo)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(yán)重的原因。此外，封裝時(shí)采用的材料也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。小功率LED通常采用環(huán)氧樹(shù)脂作為封裝材料，但是環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)400-459nm的光線吸收率高達(dá)45%，很容易由于長(zhǎng)期吸收這種短波長(zhǎng)光線以后產(chǎn)生的老化而使光衰嚴(yán)重，50%光衰的壽命不到1萬(wàn)小時(shí)。因而在大功率LED中必須采用硅膠作為封裝材料。硅膠對(duì)同樣波長(zhǎng)光線的吸收率不到1%。從而可以把同樣光衰的壽命延長(zhǎng)到4萬(wàn)小時(shí)。

下面列出各家LED芯片公司所生產(chǎn)的各種型號(hào)LED的熱阻

由表中可見(jiàn)，Cree公司的LED的熱阻因?yàn)椴捎昧颂蓟枳骰祝绕渌镜臒嶙柚辽俚鸵槐?。大功率LED為了改進(jìn)散熱通常在基底下面再放一塊可焊接的銅底板以便焊到散熱器上去。這些熱阻實(shí)際上都是在這個(gè)銅底板上測(cè)得的。

是不是碳化硅就是LED襯底的最佳選擇呢，不是這樣，任何事物都會(huì)有創(chuàng)新和發(fā)展的，最近臺(tái)灣的鉆石科技開(kāi)發(fā)出了鉆石島外延片(Diamond Islands Wafer，DIW)做為生產(chǎn)超級(jí)LED 的基材。這種LED的熱阻可以低至<5°C/W。用它制成的超級(jí)LED 可發(fā)出極強(qiáng)的紫外光，其強(qiáng)度不因高溫而降低，反而會(huì)更亮。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

而且采用紫外線來(lái)激發(fā)各種熒光粉也可以得到所需要的各種顏色的LED。而且熒光粉不是采用和環(huán)氧樹(shù)脂或硅膠混合的方法而是直接涂于芯片表面還可以避免由于環(huán)氧樹(shù)脂和硅膠的老化而產(chǎn)生的光衰。

這將會(huì)使整個(gè)LED產(chǎn)生革命性變化。而且擺脫了日美等國(guó)的專利束縛。

2、集成LED的散熱
現(xiàn)在有不少?gòu)S商把很多LED晶粒集成在一起以得到大功率的LED。這種LED的功率可以達(dá)到5W以上，大多以10W，25W，和50W的功率等級(jí)出現(xiàn)。為了把多個(gè)LED晶粒（以共晶（Eutectic）或覆晶（Flip-Chip）封裝）連接在一起，因?yàn)檫@些晶粒極為精細(xì)，所以需要采用精確的印制電路進(jìn)行連接。為了得到更好的散熱特性，通常采用陶瓷基板。這種陶瓷基板是由氧化鋁和氮化鋁構(gòu)成。各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)如下表所示。

 

不論氮化鋁還是氧化鋁，它們都是一種絕緣的陶瓷材料，所以可以把印制電路做在上面。但是氮化鋁具有高10倍的導(dǎo)熱系數(shù)，所以現(xiàn)在更常用氮化鋁。過(guò)去采用厚膜電路，但是其表面不平，電路邊緣毛糙，而且需要800°C以上的燒結(jié)溫度。現(xiàn)在大多采用薄膜電路，因?yàn)樗恍枰?00度以下的工藝，表面平整度可以<0.3um，不會(huì)有氧化物生成，附著性好，電路精細(xì)，誤差低于+/-1%。它實(shí)際上是采用照相刻蝕的方法來(lái)制作，采用氧化鋁為基底的薄膜電路制備的具體過(guò)程如下：

圖4.  薄膜電路的制備過(guò)程

采用氮化鋁的制作方法相同。