LED散熱問題是影響其壽命的重要因素，與傳統(tǒng)光源一樣，LED在工作期間也會(huì)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(lái)的光還需經(jīng)過芯片(chip)本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達(dá)外界(空氣)。綜合 電流注入效率、輻射發(fā)光量子效率、芯片外部光取出效率等，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(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉(zhuǎn)化熱能。本文將圍繞著碳復(fù)合功能材料在導(dǎo)熱散熱中的應(yīng)用，以及膠粘貼片與共晶焊貼片的幾種貼片工藝比較進(jìn)行闡述，介紹當(dāng)前熱管理的幾 種關(guān)鍵技術(shù)。

        一、常用散熱方式

        提高 LED發(fā)光效率是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，其中從芯片角度提高外量子效率目前常用的途徑有：生長(zhǎng)分布布拉格反射層結(jié)構(gòu)、制作透明襯底、襯底剝離技術(shù)、倒裝芯片技 術(shù)、表面粗化技術(shù)、異形芯片技術(shù)、采用光子晶體結(jié)構(gòu)等。目前，芯片即使光效達(dá)到200lm/W,外量子效率仍不高，原因在于散熱管理尚未得到理想解決。

        目前，由日本松下電工(Matsushita Electric Works Ltd)與美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校(USCB)共同研究的計(jì)劃，已開發(fā)出具有較高外部量子效率的發(fā)光二極管(LED)。

圖1  USCB研究成果

        根據(jù)熱流定律，熱傳導(dǎo)方式的導(dǎo)熱系數(shù)中通過材料的熱流總量總是反比于材料的熱阻。

        增 大熱傳導(dǎo)的方法有：①增大芯片熱傳導(dǎo)系數(shù);②增大焊料熱傳導(dǎo)系數(shù);③減薄焊料厚度;④增大基板熱傳導(dǎo)系數(shù)。在管芯與透鏡、熱沉基板、金絲、熱沉金屬電路層 之間的對(duì)流中，管芯-熱沉基板-散熱器-熱對(duì)流至空氣、管芯-金絲-熱沉金屬電路層-散熱器-熱對(duì)流至空氣、管芯-熱沉金屬電路層-散熱器-熱對(duì)流至空氣 這三種方式是主要的散熱途徑，管芯-熱沉金屬電路層-散熱器-熱對(duì)流至空氣是次要途徑。

圖2  封裝件中熱傳導(dǎo)路徑

        對(duì)流傳熱是流體流動(dòng)載熱與熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的結(jié)果，流體對(duì)壁面的熱流密度因流動(dòng)而增大。流動(dòng)傳熱分為強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流兩種。根據(jù)牛頓冷卻定律：

        Q=A×α×(tW-t)

        其中，Q熱流量;A為散熱面積，α為對(duì)流系數(shù)，為壁溫(℃)，t為冷流體主體溫度。由公式可推出，增大熱對(duì)流方法有：1.增大散熱面積;2.增大對(duì)流系數(shù);3.增大溫度差。

圖3  兩種散熱方式的散熱路徑

        二、封裝熱傳導(dǎo)材料的研究進(jìn)展

        1.氣相生長(zhǎng)碳纖維(VGCF)

        VGCF是一種碳功能符合材料，制作方法是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℃下生長(zhǎng)纖維狀碳，再經(jīng)過2600℃熱處理。實(shí)驗(yàn)估計(jì)，在室溫下這種材料的熱導(dǎo)率可達(dá)到1260W/mK。

圖4 氣相生長(zhǎng)碳纖維（VGCF）在電子顯微鏡下的形態(tài)

        這種新型材料用作導(dǎo)熱基板的可能性在于，VGCF浸入環(huán)氧樹脂后，經(jīng)過150℃熱壓成型，形成塊狀混合材料，其熱導(dǎo)率可達(dá)到695W/mK，由此可開發(fā)出新的貼片工藝。

        但VGCF存在的問題是，首先，由于它向異性的熱傳導(dǎo)特性，使其對(duì)其下的熱沉熱導(dǎo)率要求很高。其次，芯片與VGCF界面之間的熱阻較大。最后，這種材料目前的價(jià)格較高，無(wú)益于LED燈具整體價(jià)格的降低。

        2.碳納米管(CNTs)

        CNTs 是由單層或多層石墨片曲卷而成的無(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。目前，通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)均已證明碳納米管具有較高的熱導(dǎo)率。 S.Berber與Y.K.Kwon等人利用分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬計(jì)算出單壁碳納米管(swNT)的室溫?zé)釋?dǎo)率高達(dá)6600W/mK。Kim等人用實(shí)驗(yàn) 方法測(cè)出多壁碳納米管(MWNT)的室溫?zé)釋?dǎo)率達(dá)3000W/mK。

圖5  碳納米管（CNTs）在電子顯微鏡下的形態(tài)

        CNTs用作導(dǎo)熱基板的可能性在于，該材料可開發(fā)出新的貼片工藝。但由于其各項(xiàng)異性的熱傳導(dǎo)特性，對(duì)其下的熱沉熱導(dǎo)率要求很高。

        3.碳泡沫材料

        碳泡沫材料的制作方法是，將瀝青放入真空室加溫融化，同時(shí)輸入高壓氮?dú)獠⑸邷囟?，使瀝青泡沫化。當(dāng)瀝青加熱到800℃時(shí)發(fā)生硬化，再將氣壓、溫度降至自然條件。通入氮?dú)饧訜岬?050℃進(jìn)行熱處理，加熱到2800℃進(jìn)行石墨化處理。

        碳泡沫材料的性能優(yōu)勢(shì)在于，熱導(dǎo)率的理論值大于2000W/mK，2002年實(shí)驗(yàn)值達(dá)到150W/mk，整體材料表面積大且重量輕。它所采用的散熱原理是利用疏松多孔的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行多孔熱交換。

圖6  電子顯微鏡下碳泡沫材料的多孔結(jié)構(gòu)

        三、貼片散熱技術(shù)

        貼片封裝的芯片其散熱主要依靠導(dǎo)熱膠、環(huán)氧樹脂、導(dǎo)電銀膠等材料。其中，部分進(jìn)口導(dǎo)電銀膠的導(dǎo)熱率可達(dá)到30W/mK。

圖7  導(dǎo)電銀膠結(jié)構(gòu)示意圖

圖8  導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)示意圖

        1.傳統(tǒng)貼片工藝

        傳 統(tǒng)貼片工藝所使用的導(dǎo)熱材料是導(dǎo)電銀膠和導(dǎo)熱膠，需要通過(手動(dòng))刺晶臺(tái)或自動(dòng)貼片機(jī)及烘箱烘干等工藝流程。這種工藝的有點(diǎn)在于設(shè)備價(jià)格經(jīng)濟(jì)，且工藝已較 為成熟、穩(wěn)定，可批量大規(guī)模生產(chǎn)。但其缺點(diǎn)是對(duì)膠體的要求較高，需要過多的人工控制，且容易產(chǎn)生氣泡，造成熱阻較高。

圖9  傳統(tǒng)切片工藝中散熱銀膠的位置

        2.共晶(釬)焊貼片

        共 晶(釬)焊貼片采用金錫合金作為共晶焊料，金錫合金是以錫作為主要合金元素的金合金，其是一種低溫焊料，可在氫氣爐中不用釬劑進(jìn)行釬接。這種貼片工藝使用 手動(dòng)共晶焊臺(tái)或自動(dòng)共晶焊貼片機(jī)，熱阻低，可靠性高，且電阻較低。但這種貼片工藝使用的設(shè)備較高，產(chǎn)能較低(3s/pcs)，對(duì)基板要求也較高，不利于批 量生產(chǎn)及成本的控制。

圖10  金錫合金相圖

        3.熱超聲焊貼片

        熱超聲 焊貼片的工作原理是向壓緊的LED芯片和熱沉施加超聲波，產(chǎn)生的彈性振動(dòng)破壞被焊件表面的氧化層并生熱，與外部施加的熱量一起使被焊件界面的未飽和原子鍵 相互鍵合，使芯片和熱沉牢固地焊為一體。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是熱阻較小，可靠性高，電阻較低。但缺陷是設(shè)備昂貴，要求芯片及熱沉都是特制的。

圖11  焊接結(jié)構(gòu)與過程

        以上是幾種散熱技術(shù)的簡(jiǎn)介，除了在燈珠散熱本身上需要下功夫，電源、整燈燈具的散熱也將影響發(fā)光質(zhì)量與發(fā)光壽命，因電源、整燈散熱所涉及的原理、技術(shù)內(nèi)容較多、范圍很廣，需要另文詳述，本文在此暫不做具體介紹。（本文選自《半導(dǎo)體照明》雜志第39期）