【LED凈化燈】照明散熱技術(shù)現狀及進(jìn)展

LED凈化燈以其體積小、耗電量低、環(huán)保、堅固耐用以及光源顏色豐富等特點(diǎn)。備受廣大用戶(hù)的青睞。但是目前LED照明的發(fā)展面臨的瓶頸之一就是散熱，本文將通過(guò)分析照明過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題對LED的影響，來(lái)引出散熱技術(shù)在LED凈化燈照明中的重要性，并且就目前以及將來(lái)的散熱技術(shù)做概括和分析。

　　一、LED凈化燈照明中存在的發(fā)熱問(wèn)題以及影響

　　1．LED凈化燈照明存在的發(fā)熱問(wèn)題

　　在使用LED照明過(guò)程中，與使用傳統照明方式一樣，需要將電能轉換為光能。然而在這兩種方式中，沒(méi)有一種能夠完全地將電能轉換成光能，而且只能將少數部分的電能轉換成光能，其余大部分電能(60％一70％)在LED發(fā)光、照明的過(guò)程中轉化成了熱能。尤其是對于大功率的LED器件及照明燈具來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)功率的不斷增大，LED凈化燈內部芯片的溫度也會(huì )逐漸上升，而且LED內部芯片以及其它器件的性能會(huì )隨著(zhù)溫度上升而下降，甚至失效。最終導致LED器件無(wú)法工作。從根本上講，結溫的上升降低了PN結發(fā)光復合的幾率。表現在光源上就是發(fā)光亮度下降，產(chǎn)生了飽和現象。因此發(fā)熱問(wèn)題是LED凈化燈發(fā)展過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。

　　2．發(fā)熱問(wèn)題對LED的影響

　　在上面發(fā)熱問(wèn)題中提到，發(fā)熱問(wèn)題不僅會(huì )影響到LED器件的壽命，還能夠影響到發(fā)光亮度。經(jīng)驗證明，LED凈化燈尤其是大功率LED的壽命主要依賴(lài)于芯片的結溫，溫度越高?？煽啃栽降?，工作壽命越短。因此不僅需要從LED材料、制作方式、封裝結構以及發(fā)光原理等方面綜合設計LED器件，更重要的是解決目前存在LED器件以及燈具中的散熱問(wèn)題，選擇合適的封裝結構、合理的散熱方式，并應用到LED照明中。

　　二、LED凈化燈照明散熱技術(shù)現狀

　　針對LED凈化燈器件以及燈具在電能轉化為光能方面的局限性，提出了散熱技術(shù)這一概念。散熱旨在解決在LED照明過(guò)程中，除去電能轉化成的那一部分光能，由電能轉化成的熱量對LED內部芯片產(chǎn)生的影響(使得芯片性能下降、老化甚至失效)。

　　1、影響LED散熱的主要因素

　　影響散熱的主要因素有材料屬性(導熱率)、封裝結構、封裝材料、芯片尺寸、芯片材料、芯片上電流密度等。一般情況下，LED照明器件以及燈具是由芯片、電路基板、外部散熱器以及驅動(dòng)器四部分構成。因此目前存在兩種散熱設計方案：一是減少LED 器件由電能轉化成熱能，實(shí)現過(guò)程需要通過(guò)提高LED內部器件的內量子效率，從而提高LED的出光效率，進(jìn)而從內部解決LED在照明(使用)過(guò)程中產(chǎn)生的散熱問(wèn)題；二面是從外部設計考慮出發(fā)，通過(guò)改變LED器件以及燈具的封裝材料或者封裝方式，以達到減小封裝熱阻的目的，有時(shí)還需要配置合適的散熱器來(lái)解決高結溫問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現延長(cháng)LED器件的使用壽命。

　　2、目前存在的散熱方式

　　由于在技術(shù)方面的局限性，目前多采用改變LED照明器件的外部設計或者使用散熱器的方法來(lái)解決散熱問(wèn)題。LED凈化燈照明器件的散熱方式目前有很多種，可以分為封裝級散熱方式和燈具級散熱方式。封裝級散熱方式，顧名思義，它是通過(guò)優(yōu)化LED內部封裝結構以及材料來(lái)達到減小封裝熱阻的效果，主要分為封裝結構方面的硅基板倒裝芯片(FCLED)結構、金屬線(xiàn)路板結構等和材料方面的基于基板材料和粘帖材料的擇優(yōu)選取原則。

　　而燈具級散熱方式主要是指熱量從封裝基板到外部散熱器的傳遞過(guò)程中實(shí)施散熱的方式，主要分為被動(dòng)散熱和主動(dòng)散熱，主動(dòng)散熱是指通過(guò)系統以外的能量驅動(dòng)，將LED 內部芯片以及本身器件的熱量散發(fā)出去，主要包括加裝風(fēng)扇強制散熱、液冷散熱、半導體制冷散熱、離子風(fēng)散熱和合成射流散熱等；而被動(dòng)散熱是指僅通過(guò)散熱器本身，將在LED照明過(guò)程中產(chǎn)生的熱量分散出去，達到降低結溫的效果，主要有直接自然對流散熱和熱管(平板熱管、環(huán)路熱管和翅片式熱管)技術(shù)散熱兩種。

　　3、幾種散熱方式舉例

　　(1)材料的擇優(yōu)選取原則

　　在采用這種散熱方式的前提就是封裝結構已經(jīng)確定，可以根據已經(jīng)確定好的封裝結構選擇最合適的封裝材料來(lái)提高系統導熱性能，進(jìn)而減少LED照明器件的封裝熱阻，最終達到系統散熱的效果。封裝材料可以大致地分為基板材料、粘貼材料和封裝材料三種。

　　就基板材料而言，LED凈化燈照明器件中涉及到的散熱技術(shù)要求基板材料具有高電絕緣性、高穩定性、高導熱性以及芯片匹配的熱膨脹系數。常用的基板材料主要有硅、金屬(鋁、銅等)、陶瓷(A1N、SiC)和復合材料。

　　(2)液冷散熱

　　液冷散熱方式是一種利用液體在泵的強制帶動(dòng)下流經(jīng)散熱器表面的方式，耗散熱量的散熱技術(shù)。美國廠(chǎng)商Etemaleds曾推出一種“水冷式”LED燈——Etemaleds HydraLux一。它采用液冷散熱方式，不僅省去了用于冷卻燈泡內部的散熱管、散熱片及風(fēng)扇等，而且沒(méi)有在燈泡的上半部分包覆散熱材料，它的光放射角擴大到了360度，如圖1-1所示。

　　由上面的介紹可知，液冷散熱方式是一種主動(dòng)散熱方式，然而液冷散熱方式在制作過(guò)程復雜且難于實(shí)現，價(jià)格高，不適用于高溫、震動(dòng)等惡劣環(huán)境；而且在液冷散熱方式在LED照明器件應用中，要求密封高的液體循環(huán)致冷裝置，如果在生產(chǎn)過(guò)程中稍有不當，就會(huì )造成LED器件的損毀。

　　三、LED照明散熱技術(shù)的進(jìn)展

　　隨著(zhù)目前LED照明技術(shù)的日漸成熟，以及LED照明應用的普及，現有的散熱技術(shù)不僅是基于封裝結構、材料的，而且還有基于能量傳遞過(guò)程的。就封裝材料中的基板材料在近幾年中有了新的發(fā)展，且最新趨勢指向了對于硅基氮化鎵(GaN—on—Silicon)的研發(fā)。在與已有的藍寶石基板相比之下，硅基氮化鎵有以下特點(diǎn)：能夠減少熱膨脹差異系數，能夠強化LED發(fā)光強度，制造成本低、散熱效果顯著(zhù)。因此硅基氮化鎵受到了LED生產(chǎn)商的青睞。

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