功率型LED散热器的研究

　　近年来，发光二极管（LED）由于其高发光效率、低能耗而得到了飞速发展。大功率LED器件的散热性能决定了LED器件的热阻，进而影响LED工作时的结温，而LED结温又影响到LED的光效、波长、色温等光电参数和使用寿命等12.特基金项目：教育部新世纪优秀人才计划（NCE1010535）；上海市科委启明星跟踪计划（08QH14007）；上海市科委半更加聚集，热量的聚集引起LED芯片结温迅速上升，导致半导体材料和荧光粉的发光效率下降，而且结温过高会引起波长红移，使LED发光的均匀性、一致性变差，大功率LED散热问题是制约大功率LED发展的瓶颈之大功率LED系统的热流通道为LED芯片-固晶层基板-导热胳散热器空气，分析可知系统中每个环节都会对整个LED系统的热阻产生一定影响。LED模组传热过程包括导热和散热两个环节，芯片衬底材料、固晶层、封装基板和导热胶的性能参数决定了LED芯片产生的热量能否迅速的进行热传导，而散热终是要通过散热器散来完成，因此设计好合理的散热器对降低LED系统热阻具有重要意义。常用的散热技术有对流散热、辐射散热、相变散热等，本文将从上述几种散热技术来总结功率型LED散热器的研究情况。

　　1对流散热根据流体的驱动力不同将对流分为两类：强制对流和自然对流。强制对流中流体的流动是由外部动力作用引起的，如风扇、压力泵等；自然对流则是由于重力作用下而产生的流动。对流散热在大功率LED散热中起重要作用。

　　1.1自然对流散热LED器件或模组在很多情况下是通过自然对流来进行散热的。对于小功率器件和单颗大功率器件，依靠其自身封装结构进行自然对流散热一般可以满足散热要求。而针对大功率器件集成和多芯片集成封装的LED模组，则需要设计专门的热沉进行散热，设计合理的热沉结构可以改善自然对流散热效果。鳍片散热（如）是常用方法，制作鳍片常用的材料的是铝合金。鳍片靠增大散热面积来增强对流效果，根据几何形状不同可将鳍片分为平板鳍片和柱状鳍片两种，M.R.Shaeri、张雪粉等人利用数值计算方法和实验两种途径对鳍片数量、结构、排列方式等方面进行优化，获得了优的散热效果。

　　1.2强制对流散热当进行超大功率LED集成时，自然对流散热效果经常不能满足要求，强制对流能够使流体产生足够的流动力，流体的快速流动可以将LED产生的热量快速带走以增强对流散热的效果。各种强迫制冷散热器各互有优缺点，表1给出了几种强迫对流散热器的性能比较。

　　表1几种强制对流制冷散热器的比较类型散热能力成本工艺难度风扇一般低易较好高较复杂水冷板较好较低易微喷散热器好较高较复杂微通道散热器很好昂贵复杂1.21风冷散热使用风扇可以使空气的流速加快，有利于对LED进行散热，利用风扇散热时往往结合鳍片散热，这样可以大大增强散热效果。在设计热沉结构时，改变鳍片的间距、宽度高度等可以获得不同散热效果。A.Christensen等人用一个鳍片散热器分别对1，3和5W的LED模组进行散热，并且研究了对流系数对LED封装热阻的影响，他们的研究表明利用强制风冷可以有效地降低热阻。不仅风扇能够获得流动的空气，S.W.Chau等人通过EHD（electrohydrodynamic）的方法对大功率LED进行了散热实验，他们发现风扇和EHD在相同输入功率下，EHD的散热性能比风扇高出40，但是EHD的缺点是安装空间较大并且需要在高压直流电下才能工作。

　　1.22液冷散热当进行超大功率LED集成时，仅靠鳍片和强制风冷已经无法有效地对LED进行散热，由于液体在热导率、热容等方面远优于空气，所以使用液冷散热器的LED性能相比使用风冷散热器的LED性能优良。

　　强制水冷散热是一种常用的液冷散热方式，将大功率LED模组安装在水冷板上，LED产生的热量主要由冷却循环水带走。水冷板内部结构的设计非常重要，Y.Lai等人在设计LED车灯时将循环冷却水管和鳍片散热器结合起来使用，并且对鳍片和管中冷却水的流速进行了优化设计；Z.T.Ma等人设计了一种内部有针型鳍片的水冷板用于LED阵列的散热。

　　微喷冷却器是一种采用压力泵驱动制冷剂，使制冷剂喷射到发热体表面的一种散热器，喷嘴的直径一般在微米级。S.Liu设计了一种喷嘴直径是1mm、数量为8 8阵列的微喷冷却器，他们用水作冷却介质对一个220W的LED模块进行冷却，模块的高结温在120°C以内。

　　微通道是近年来热点研究的一种散热器，微通道散热器由多个水力直径为10~1000Lm的微小流体通道构成，冷却介质有水、乙醇等，通过一个微型泵来供给压力是LED封装中典型的硅基微通道散热器结构示意图。S.Yuan和Z.M.Wang等人在对大功率LED模组进行散热时使用了微通道散热器，他们设计了新颖的微通道结构并且对其进行优化，成功实现了微通道制冷在LED上的应用。研究人员们在之前的研究基础之上，在流体中添加如纳米AI2O3、纳米Ag、纳米Ti2等纳米颗粒，大量实验表明使用了纳米流体的微通道散热器的散热性能显著提高。APL，2005，李炳乾。SuperFluxLEDs的热工控制。国际光电与显刘行仁，薛胜薜，黄德森，等。白光LED现状和问题。光源与照明，2003（3）：48.殷录桥，李清华，张建华。提高大功率LED散热和出光封装材料的研究。半导体技术，2008，郑代顺，钱可元。功率型白光LED研究进展。中国照比安什，福泰勒，埃黛。传热学。王晓东，译。大连：大连理工大学出版社，2008，张雪粉。大功率LED散热研究及散热器设计。天津：王浩，余彬海，李舜勉。功率LED芯片键合材料对器件热特性影响的分析与仿真。佛山科学技术学院学报，2005，23（4）：1417.王静，吴福根。改善大功率LED散热的关键问题。电子设计工程，2009，钱可元，郑代顺，罗毅。GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析。半导体光电，2006，（下转第1027页）4结论本文使用国产SiC衬底的GaNHEMT外延材料实现了大功率、高效率的GaNHEMT器件，通过优化电路驱动比，得到高功率、高效率的GaNMMIC.ADS仿真结果表明，当驱动比由2增加到3后，电路的效率提高10.通过选择合理的驱动比，得到工作频率为8~ 10GHz，输出功率大于21W，增益大于15dB，效率大于35的GaN功率MMIC，具备较好的特性。