---深圳大學(xué)光電工程學(xué)院 柴廣躍
LED在發(fā)光的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量如果不能及時(shí)的加以排除，就會(huì)出現(xiàn)失效的現(xiàn)象，嚴(yán)重者還會(huì)直接對(duì)LED造成損害。所以，LED要大規(guī)模推廣，首先必須要解決散熱的難題。
LED產(chǎn)生熱量的原因：
A、晶格振動(dòng)產(chǎn)生熱量。晶格失配、雜質(zhì)等缺陷產(chǎn)生大量的非輻射復(fù)合中心，內(nèi)量子效率不會(huì)達(dá)到100％，非輻射復(fù)合中心將注入的載流子能量通過(guò)晶格振動(dòng)而產(chǎn)生大量的熱。
B、LED芯片折射率高于空氣，極大限制了從有源區(qū)發(fā)出的光向LED芯片外部的導(dǎo)出，返回芯片內(nèi)部的光被芯片材料吸收，通過(guò)晶格振動(dòng)的方式產(chǎn)生熱。
C、歐姆接觸產(chǎn)生的焦耳熱，LED芯片各層材料的體電阻、LED芯片電極層與半導(dǎo)體層間的接觸電阻、LED芯片電極與焊料間的接觸電阻、焊料間的體電阻焊料與熱沉的接觸電阻等，上述電阻相互疊加構(gòu)成LED元件的串聯(lián)電阻，當(dāng)電流流過(guò)P—N結(jié)時(shí)，同時(shí)也會(huì)流過(guò)這些電阻，從而產(chǎn)生焦耳熱，導(dǎo)致LED結(jié)溫升高。
目前常用的幾種封裝基板散熱能力比較：
①、金屬支架管殼：
該種方式材料采用金屬支架、鎢銅、鉬銅及其它模料，固晶材料為環(huán)氧樹脂類，該方式具有加工簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。不足之處在于易產(chǎn)生“爆米花效應(yīng)”、如果模料過(guò)厚，可靠性好但散熱性差，如果模料過(guò)薄，又導(dǎo)致散熱性好但牢度差、模料耐紫外，潮濕，高低溫能力差；金絲跨反光杯，貼片速度較低……
②、陶瓷管殼：
該種方式具有與LED芯片熱應(yīng)力匹配、AlN熱導(dǎo)系數(shù)較高、精度高，適合批量生產(chǎn)、金絲在反光杯內(nèi)部，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)在于LTCC--Al2O3需要熱阱、AlN材料成本高、Al2O3 熱導(dǎo)系數(shù)較低、高溫?zé)Y(jié)耗能……
③、金屬導(dǎo)熱PCB基板：
該種方式由銅箔電路/陶瓷粉末和高分子材料/鋁基板組成，其中陶瓷粉末和高分子材料是其主要組成部分，陶瓷粉末扮演的是絕緣導(dǎo)熱的角色，高分子扮演的是可靠度以及把電路層、散熱的絕緣層和鋁板三個(gè)結(jié)合在一起的一個(gè)很重要的角色。
優(yōu)點(diǎn)在于：成本低、易于批量生產(chǎn)、易于加工、特別適合MCM-COB。
缺點(diǎn)在于：高分子材料的可靠性很難把握、減小熱阻（增加陶瓷粉的比重）抗剝強(qiáng)度降低、高分子絕緣層不可很薄（一般大于60mm~90 mm）、高低溫下的穩(wěn)定性差。
④、深圳大學(xué)MCPCB基板：
該技術(shù)采用鋁/氧化鋁（AlN、金剛石混合物）/鈀銀（銅金）等物質(zhì)作為基體材料，以微弧氧化/硬質(zhì)氧化、物理噴涂、激光熔覆為主要方式，AlxOy/Al約20mm，熱阻≈5 K/W，金屬化層鈀銀20mm，單顆、MCM白光LED封裝。MCPCB雖然比FR4 PCB散熱效果更佳，但MCPCB的介電層卻沒(méi)有太好的熱傳導(dǎo)率，大體與FR4 PCB相同，僅0.3W/m.K，成為散熱塊與金屬核心板間的傳導(dǎo)瓶頸。
⑤、碳復(fù)合材料：
氣相生長(zhǎng)碳纖維（VGCF）方式：在載有鐵鎳催化劑的陶瓷基板上通入氫氣和烴類氣體混合物，在1100℃下生成纖維狀碳；2600 ℃熱處理；預(yù)計(jì)室溫下熱導(dǎo)率可達(dá)到1260W/mK。VGCF浸入環(huán)氧樹脂，150 ℃熱壓成型，塊狀混合材料熱導(dǎo)率可達(dá)695W/mK，開發(fā)了貼片的新工藝。
存在問(wèn)題：各向異性的熱傳導(dǎo)特性，對(duì)其下的熱沉熱導(dǎo)率要求很高；芯片與VGCF界面的熱阻過(guò)大。
⑥、碳納米管（CNTs）：
CNTs由單層或多層石墨片卷曲而成的無(wú)縫納米管狀殼層結(jié)構(gòu)，具有良好的熱、電和力學(xué)性能；理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)均已證明碳納米管具有較高的熱導(dǎo)率，Berber等利用分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬計(jì)算出單壁碳納米管(swNT)室溫?zé)釋?dǎo)率高達(dá)6600W／(m•K)，Kim等用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得多壁碳納米管(MWNT)的室溫?zé)釋?dǎo)率達(dá)3000W／(m•K)。
存在問(wèn)題：由于各向異性的熱傳導(dǎo)特性，對(duì)其下的熱沉熱導(dǎo)率要求很高。
新型散熱材料的進(jìn)展：
a、泡沫碳材料：
制作方法：瀝青放入真空室加溫融化-輸入高壓氮?dú)馔瑫r(shí)升溫-瀝青泡沫化-800℃硬化-降溫降壓至自然條件-氮?dú)夥?050 ℃熱處理-2800 ℃石墨化處理。
性能：熱導(dǎo)率理論值大于2000W/mK、2002年實(shí)驗(yàn)值150W/mK、表面積大、重量輕。
散熱原理：多孔熱交換。
b、氣相生長(zhǎng)碳纖維（VGCF）：
制作方法：VGCF浸入環(huán)氧樹脂，150 ℃熱壓成各種翼片型材，其混合材料熱導(dǎo)率可達(dá)到695W/mK（鋁的3.66倍），密度1.48g/cm3(銅的1/6)。
存在的問(wèn)題：工藝條件苛刻，難度高、成本高（2004年VGCF的價(jià)格2200$/Kg）。
總結(jié)：
即使達(dá)到200lm/W，藍(lán)光LED外量子效率仍然不高，熱管理是個(gè)長(zhǎng)期的任務(wù)。未來(lái)在LED導(dǎo)熱領(lǐng)域，表面貼裝型LED是發(fā)展的主流，新型高導(dǎo)熱基板是基礎(chǔ)，高導(dǎo)熱固晶膠或共晶焊固晶都會(huì)得到持續(xù)發(fā)展。雖然傳統(tǒng)散熱片的設(shè)計(jì)上仍有潛力可挖，但是碳纖維混合物高熱導(dǎo)、低重量將會(huì)更具吸引力。
LED封裝及應(yīng)用的熱設(shè)計(jì)的出路---將科學(xué)散熱與藝術(shù)美感有機(jī)結(jié)合。
