基于铜铝基板和热沉组合的LED散热性能的研究

2012-12-04夏冠群刘廷章杨洁翔庄美琳

照明工程学报 2012年2期

陈良夏冠群刘廷章杨洁翔庄美琳

(1.上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072;2.上海半导体照明工程技术研究中心，上海 201203)

1 引言

近年来，大功率LED发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，发光效能上也有长足的进步［1］。目前，大功率白光 LED发光效能已经超过100lm/W，大大领先于传统照明光源［2］。而且与白炽灯、荧光灯等传统光源相比，大功率白光LED固体光源具有节能和环保等优点［3］。

众所周知，LED是个光电器件，其工作过程中只有少部分的电能转换成光能，而剩余的能量几乎都转换成了热能。对于LED来说，热量是它的天敌，温度的增高会大大降低LED的使用寿命和发光效能，如图1所示［4］。因此，要充分发挥大功率LED的优势，必须解决散热这一关键技术问题。

图1 LED结温对光通量的影响

目前业内已经对大功率LED的散热问题作出了很多的努力。包括提高芯片内外量子效率、减少散热组件负荷、加快热量从外延层向散热基板散发、依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。尽管如此，单个LED产品目前也仅处于1～10W级的水平，散热能力仍亟待提高［5］。

另外，有相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料。本文即主要针对同一个LED芯片——Cree XLamp XM-L LEDs 6w大功率LED芯片，测试其基于不同材料 (黄铜、铝)基板与热沉组合的散热性能、光电性能及热分布，从而对所涉及的材料和结构进行反馈改进，实现对LED芯片散热基板及热沉的最优选择。实验采用的基板与热沉材料导热系数如表1所示。

80例(108个甲状腺结节)中手术病理诊断为良性57例(结节中结节性甲状腺肿51例77个；甲状腺腺瘤3个；甲状腺乳头状瘤1个；腺瘤型结甲3个)；手术病理诊断恶性22例(甲状腺乳头状癌20个，甲状腺髓样癌1个；甲状腺滤泡癌1个)；还有1例合并有结节性甲状腺肿及甲状腺乳头状癌各1个。根据甲状腺结节实时弹性成像分级标准，80例共108个结节中，0级14个，Ⅰ级25个，Ⅱ级42个，Ⅲ级8个，Ⅳ级19个，弹性分级及病理结果见表1～2。

急性脑血栓患者的早期康复受到很多因素的影响,而在治疗中实施针对性护理干预对患者的生存质量和预后有很好的改善作用,从而降低患者的伤残率。本研究对一段时间内在我院接受治疗的急性脑血栓患者进行护理干预对其早期康复效果的综合评估分析,取得了显著效果,现做相关报道。

表1 实验热沉和基板的金属导热系数(单位:千卡/米·小时·度)

2 实验方案

2.1 热阻测试

针对目前大功率LED器件散热与光效的矛盾，通过Analysis Tech热分析仪，通过正向电压法较精确地测量器件实际使用过程中的结温和热阻，作为衡量大功率LED散热状况的主要参数，并为器件的热可靠性分析提供科学依据。

研究方法采用计量学方法、数据挖掘方法；研究工具采用Python、Excel等数据处理分析工具对专利申请公开时间、公开国家、公开机构、技术分类号等字段进行提取和统计；研究角度从专利时间分布、专利空间分布、专利内容分布这三大方面全面揭示了全球自动驾驶技术的发展趋势、技术公开国家、技术来源国家、技术研发机构、技术研究方向、研究热点等情况，期望为自动驾驶技术的发展提供数据支持和决策参考。

即芯片PN结的温度与周围空气温度之差和输入功率的比值。

大功率LED所产生的热量主要通过基板和热沉传导到外壳而散发出去，不同的基板与热沉的材料，以及不同材料基板与热沉的组合，其导热性能各异，高导热的材料可以满足自然冷却的要求，但是成本偏高，低成本的材料往往由于导热性不够，不能很好的满足大功率LED的散热需求。据计算，在基准温度 (100℃)以上，工作温度每升高25℃，电路的失效率就会增加5～6倍［9］，因此如何提高基板和热沉的散热性能已成为一个亟待解决的问题。

图2 单颗LED灯结构示意图

图3 单颗LED灯实物图

由此我们可以将整个传热的过程分为向上传热和向下两部分，建立传热热阻网络图如图4所示。

图4 传热热阻网络图

上层的热阻可以写为:

(3)将热沉固定并置于便于测试测量的位置，连接电源，输入功率2W，点亮灯具，进行热阻测试。

地勘单位可以从建立健全审计信息系统的角度出发落实单位的信息化水平，例如单位根据自身的规模特点选择NC系统和审计软件，积极投入资金引进部分平台。确保单位内部人力、物力与财力的相对一致性。不仅如此，地勘单位应当定时给工作人员安排培训工作，教导他们软件与平台的使用方式，确保内部人员能够熟练运用计算机软件，积极发挥信息化的优势性，借助信息平台及时获取国内外价值性的信息并分析出当前市场的变动模式，发挥审计工作的效益。信息化建设能够促进动态性的监测工作，审计人员可以借助平台及时了解领导干部和单位法人的离任审计工作，最终避免重复劳动，提高工作效益与市场竞争力。

其中:Rjc为内部热沉热阻，Rcm为MCPCB热阻，Rmg为导热脂热阻，Rgb为散热器热阻，Rba为散热器与环境间热阻。

则总热阻为:

学校对实验教学的管理是根本性管理。对是否能够真正实现、实践实战能力强的应用型专业人才培养目标，具有根本性、决定性作用。

一般情况下，Ruja的热阻较大，所以在总热阻中，主要是由Rdja起作用。因此热阻的测试结果体现的是向下传热的热阻，即热沉与基板组合的热阻，满足整个实验的测试目标。

通过对语言政策与社会发展互动关系的研究，可以提取制约语言文字政策定位的因素，为国家语言政策和规划的制定提供理论支撑。

2.2 红外热分布测试

对于单颗的LED灯单元，如图2、图3所示［7］。当达到热平衡时，热量主要由两个方面进行传导:一是通过芯片上面覆盖的环氧树脂与环境传热;另一方面是将芯片产生的热量通过键合金线进一步传到金属基板后散走;最后最主要的方面是通过内部热沉传导到金属基板后通过散热器 (热沉)散热［8］。

通过红外热分布测试能够从宏观上整体地把握LED基板与热沉的散热效果，发现不同材料在散热效果上的差异，从而选择最合适的散热材料。由于LED灯具在开启后逐渐升温，最后达到热稳定状态，同时基板和热沉也逐渐升温并最后稳定。所以本文在进行红外热分布测试时考虑稳态时的情况。

2.3 LED光电性能测试

LED的发光效能是LED主要的指标之一，发光效能的大小反映发光体内部能量激发、能量传递、复合发光以及无辐射复合过程的总效果，它与发光体的成分、发光中心的种类及浓度、共激活剂的选择、有害杂质的控制以及发光晶体的完整性，甚至与具体的工艺过程有关。

具体分析 LED的电光转换［10］，如图5所示，可以看出大部分的输入电力都最后转化为热损失而输出，那么热沉与基板本身散热性能的好坏就关系到热损失的大小。所以通过测试LED的性能，也能够反映出整体散热情况的好坏。

图5 光电转换示意图

2.4 测试设备及方法

2.4.1 主要测试设备 (图6)

由于上述的测试没有考虑到底部通风的情况，热沉直接放在台面上，为了更好地测试通风环境对热沉和整体散热的影响，利用订书针作为热沉底部支架，交叉相叠三层，再次进行热成像的测试。利用订书针既能起到支撑作用，又能够保证和底部的接触面积尽可能的小，基本不影响测试结果，如图9所示。

图6 部分主要测试设备

ITECH IT6122高精度直流电源

第Ⅱ含矿带赋存于太白向斜南翼即石闫背斜北翼，分布于第Ⅰ含矿带以南150～280m。上桃园以西出露长度约14km，向东被沉积盖层覆盖。小闫庄铁矿以西尚无工程控制，其沿倾向控制延深规模，与第Ⅰ含矿带基本一致。矿带在东石门断层以东核部被剥蚀，仅发育翼部矿体，上桃园断层以西倾向S，SW，以东倾向N，NE，倾角一般为50°～70°。该含矿带中矿层一般为2层，矿层总厚度在东石门断层以西较厚为23.50m，东石门断层以东，总厚度多在5.77～12.02m之间。

Analysis Tech Phase半导体热分析仪NEC H2640红外热成像仪

浙大三色SL-300快速光谱辐射分析仪

2.4.2 主要实验方法

(1)用酒精清洗热沉，吹干。

(2)在基板上均匀地涂上导热脂，将基板固定于热沉上。

雨量传感器主要的工作对象就是降水的数值收集与传递，然而在发生降水时雨量传感器如果没有显示出数值，并且并无降水记录，就证明雨量传感器出现了故障。在降水量较小时，如果雨量传感器没有降水记录，可能还犹豫雨量传感器的精度不足以计量降水，或者是集水装置在安装和使用的过当中，翻斗的灵活性不足。如果在降水量较大时，雨量传感器仍旧没有降水记录，那么就是由于传感器的内部产生堵塞或者是信号系统出现了问题。针对这一现象，雨量传感器需要及时进行排查，在堵塞的位置进行疏通。如果问题出在线路上，则需要检查各个线路是否正常，如果存在有问题需要及时维修或者更换。

其中:Rea为环氧树脂热阻。

(4)逐步提高输入功率至额定，并更换基板与热沉的组合，重复3中的测试。

(5)将灯具取下，放入积分球中，进行电学性能和光学性能的测试。

本实验测试大功率LED的基板热沉组合的热阻，若结温为 Tj，环境温度为Ta，LED的功率为P，则热阻 Rja的定义为［6］:

(6)将热成像仪固定好，采用自动对焦。待灯具点亮一段时间，热分布达到平衡后，进行热分布测试。

下层的热阻可以写为:

3 实验结果分析

3.1 热阻测试

热阻测试的结果如表2所示。

根据表2的热阻测试结果，在小功率范围 (2W～4W)，铝热沉配合基板其热阻较铜热沉配合基板小;而在额定功率范围 (6W)，铜热沉+铝基板组合的热阻最小。

而从另一方面来看，铜热沉的组合表现出较好的热阻一致性，热阻随着功率温度的变化基本保持恒定;而铝热沉的组合随着功率和温度的上升，热阻系数逐渐加大。

对于一般的物质，热阻大的受到外界的温度变化的影响小，但自身的热量也散发不出来;而热阻小的如果内部温度比较高的比较利于散热。

结合实验结果综合来看，铝热沉组合的热阻值比黄铜热沉组合的要小一些。而黄铜热沉组合的热阻一致性较铝热沉组合要好，这同金属的导热系数表的数值表现是一致的。混合组合效果要好于同一组合的效果。原因是混合组合在散热时可以发挥各自金属本身的属性优势 (铝的快速导热、黄铜的一致性好)，使得热阻更小，散热效果更好。

3.2 红外热辐射测试

图7、图8为LED芯片在额定功率6W时的红外热辐射成像。

图7 6W时的红外热分布成像

图8 6W时的红外热分布成像

从红外热辐射测试实验结果中可以看出，在芯片处以及热沉和台面的接触处，颜色呈现红色，温度较高，芯片处平均超过100℃。在采用自动对焦的情况下，铝热沉的上表面普遍呈现绿色，侧面表现出蓝绿相间。铜热沉上表面普遍呈现蓝色，而侧面基本为绿色，略带黄色和橙色。

（12）Awaking the Sleeping Dragon:The Evolving Chinese Patent Law and Its Implications for Pharmaceutical Patents.

图9 带支撑底座时的红外热分布成像

分析红外热辐射测试的实验结果，热源主要分布在芯片处和热沉和台面的接触处，这是由于大功率LED芯片自身发热的缘故;并且由于热沉直接放在木制台面上，底部通风不佳，导致热量在台面的聚积。在增加了支架底座后，热沉底部不再有热量的聚积，说明周围通风的环境对于热沉的散热效果很明显也很重要。

从热沉的选择来看，铝热沉整体的热分布比较均匀，导热情况较好;而黄铜热沉整体导热效果不是非常理想，温度分布不如铝热沉均匀。这和本次实验采用的为黄铜有关，在下一阶段最好开展纯铝热沉和纯铜热沉的对比实验，如此可以更加好的进行比较。

由图5表明，随着溶液矿浆浓度升高，溶液中金的浸出率逐渐升高。当矿浆浓度为25%时，浸出曲线趋向于平缓，综合考虑金的浸出率和试验效率，选择最佳矿浆浓度为25%，此时金的浸出率为98.23%。

3.3 光电性能测试

光电性能部分我们主要关注LED的发光效率，测试结果如表3所示。

糖尿病对患者的身体以及心理的影响是十分巨大的[1]。本次研究为了分析研究在老年糖尿病患者中，实施心理护理干预对患者的焦虑抑郁情绪的影响，特选取我院80例患者进行研究，报道如下。

随着功率的增大，各组合的发光效能都呈现下降的趋势。从不同组合的对比来看，光电性能的测试结果同热沉热阻的测试结果一样，铜铝混合搭配 (铜热沉+铝基板、铝热沉+铜基板)其发光效能要明显好于同一搭配 (铜热沉+铜基板、铝热沉+铝基板)。

测试的结果是混合搭配其发光效能要明显好于同一搭配。究其原因并不完全取决于热阻，因为热沉热阻测试中，在小功率范围内，铝热沉+铝基板的热阻值也是小于黄铜热沉+铝基板的，但是在发光效能部分依然是黄铜热沉+铝基板高于铝热沉+黄铜基板。从上文分析的LED电光转换结构可以看出，热沉基板的组合影响的是半导体内部阻抗与接触阻抗的部分，热损失的大小关系到发光效能的高低，而热沉基板接触阻抗的高低就关系到热损失的大小。由此可以得出黄铜和铝的接触阻抗要小于黄铜和黄铜以及铝和铝的接触阻抗，由此也不难理解为何混合搭配其发光效能要高于同一搭配的发光效能了。

4 结论

本文针对LED不同材料的热沉与基板组合的散热性能，进行了热沉热阻测试、红外热辐射测试和光电性能测试。虽然整个实验过程还不是非常严谨，也会有各种因素造成的误差，但是对于实验整体的对比性质来说可以忽略这些影响，实验的结果有一定的可信度及参考价值。如果能够开展纯铝热沉和纯铜热沉的对比实验，则可以更加好的进行对比。

石桥头有两棵古香枫树，树干笔直，华盖参天。眼下正值枫叶红了的中秋时节，五角枫叶在朝阳夕晖笼罩下，如一树闪烁的星辰。

综合实验的结果来看，黄铜和铝的混合组合其散热效果和性能表现要好于同种组合，但总体差距都不大。黄铜的散热性能也不如想象中的差，如果材料配合得当仍能获得不错的散热效果，在某些特殊场合使用黄铜作为散热器也是可行的。

如果希望LED散热尽可能好，则应考虑较简单的结构和导热系数高的材料，以减小热阻;反之，则需要加大热阻来保持恒温。如果对于LED的光效要求较高，则更需要考虑材料之间阻抗的大小和结构的改进来减少热损失，提高光效。

通过以上分析和实验结果，我们能够看出对于LED散热的设计，不同材料的选择和组合对于提高LED的散热能力只有少许的帮助，解决LED散热问题的关键不在寻找高热导率的材料，还是在于增加散热面积与改变散热方式和结构，如此才能大幅度地提高LED的散热能力，达到更好的散热效果。

［1］戴维德.大功率 LED的散热设计［J］.今日电子，2007，12:69～72.

［2］周长波，钱可元，罗毅.准确测量大功率LED热阻的新方法［J］.半导体光电，2009，30(1):43～46.

［3］费翔，钱可元，罗毅.大功率LED结温测量及发光特性研究［J］.光电子·激光，2008，19(3):289～292，299.

［4］Cree XLamp XM-L LEDs［DB］.CREE PRODUCT FAMILY DATA SHEET，CLD-DS33 REV1/2011.

［5］王静，吴福根.改善大功率LED散热的关键问题［J］.电子设计工程，2009，17(4):123～125.

［6］王维，张金山，陈静.电力半导体器件热阻及测量［J］.信息技术，2000，6:25，28.

［7］陈强，谭敦强，余方新，等.功率型LED散热基板的研究进展［J］.材料导报，2009，23(12):61～64，72.

［8］王妍.风光互补LED路灯系统设计［D］.上海:上海理工大学，2011:86.