高功率LED散热技术研究进展
高功率、高亮度、小尺寸是LED的发展方向，因此散热问题变得至关重要，对LED芯片级、封装级、系统级三个环节的优化管理缺一不可。
发光二极管（Light- Emitting Diode , LED），一种电致发光器件。具有耗电量少、寿命长、响应速度快、体积小、无污染、易集成化等优点。
LED已被广泛应用于各种电子产品显示屏的背光源，汽车前大灯以及城市道路照明等领域。一般将1W及以上的LED称为大功率LED ｡
目前实现大功率LED方法一般有两种：一是直接封装单个大功率LED芯片，二是多个小功率芯片组合封装。它们均只能将10%~15% 的输入功率转化为光能，而其余85%~90%的输入功率以非辐射形式转化为热能。
随着芯片发光效率和功率的大幅提高，LED结温不断上升，引起应力分布不均、发光效率降低、荧光粉转换效率下降等一系列问题，大大降低了LED使用寿命。当结温超过一定值时，器件的失效率将成指数规律上升。
因此为了推广高功率LED产品的应用，必须研究合理的热管理方案。
芯片封装结构
普通高功率LED封装模型如图１所示。其散热途径有两种，一种是芯片－真空－透镜－大气，另一种是芯片－芯片粘结剂－封装基板－散热片－大气。总热阻是由两种散热途径形成的串联热阻再并联而成。
2001年LumiLeds公司研制出倒装结构芯片，如图３所示。相比于导热率仅为38 W /( m · K )的蓝宝石衬底的正装结构，其采用 Si和 AlN 为衬底材料，导热率分别为100 W /( m · K )和230 W /( m· K )。
LED热源产生的热量经由热导率高的衬底导出，从而降低芯片内部热阻，并且倒装结构将光热传输通道分离，输出光由透射率较高的蓝宝石射出，提高出光率，基于上述优点，倒装芯片结构得到了很好的应用。
为了减少热积聚现象，2014 年，K.C.Yung等人提出了非等偏距的LED芯片阵列。偏距分别为10mm 和8mm，并与等偏距为5mm的芯片阵列进行模拟结果的对比（图4）。图 5是两种阵列方式中间一行5颗芯片(分别为芯片1，芯片2，芯片3，芯片4，芯片5 )的温度趋势图。
结果表明：对于等偏距阵列，5颗芯片的温度分布十分不均，且平均温度很高，约为 52℃ 。而对于非等偏距阵列，5颗芯片温度明显降低，且各芯片温度分布均匀，平均温度约为35℃ ｡
封装材料主要包括封装基板和连接各部分的热界面材料。
材料选择原则
a、较高的导热率
b、与芯片有较匹配的热膨胀系数
c、较好的强度､稳定性､绝缘性
d、较低的成本和简单的制作工艺
封装基板
大功率LED常用的封装基板有三类：金属基印刷电路板(MCPCB)、陶瓷基板、金属／陶瓷 复合基板。
金属基印刷电路板
金属基印刷电路板是将原来普通的PCB贴附在热导系数相对较高的金属上（铜、铝），以此来强化散热效果。
为防止上下通电，在中间添加一层绝缘层，它是一层低热阻绝缘材料，是金属基印刷电路板的核心技术所在。
一般常见的绝缘层导热率都很低，无论采用何种MCPCB，导热率均只在1~2.2W /( m · K )左右。
金属与芯片衬底材料的热膨胀系数不匹配，容易导致裂缝、错位、脱层等问题。
但是MCPCB价格适中，也正是如今被高功率LED广泛使用的原因。
陶瓷基板
以直接烧结成形的陶瓷基板作为封装基板，其具有良好的绝缘性能，不需要额外的介电层，同时也有不错的热导率，和与芯片材料相匹配的热膨胀系数( 4~8×10 -6 /k )。
常见的陶瓷基板有： AlN ､Al2O3和BeO ，由表１可知AlN不仅具有较高的热导率而且有着与芯片相匹配的热膨胀系数，故而成为未来陶瓷基板的发展方向。
但是AlN导电率低，目前实现其金属化的方法有直接覆铜(DBC)、厚薄膜基板和多层陶瓷基板，它们均具有良好的导热性能，但是陶瓷基板的价格高出金属基板好多，且加工困难，目前在市场上并不多见，因此需要寻求更好的基板材料。
金属/陶瓷复合基板
金属基复合基板结合了金属材料导热率高和陶瓷基板热膨胀系数低等优点，改善了元器件的可靠性和稳定性。
目前常用的复合基板是 Al-SiC，其制备方法分为无压浸渗和真空压力浸渗两种。
采用真空压力浸透对Al-SiC进行制备，该技术不需要对Al和SiC进行预处理,生产效率提高，且材料结合强度高，未出现孔洞等现象。
由表1看出复合基板结合了金属与陶瓷的优点，从而成为基板的最佳选择方案。
热界面材料
热界面材料的作用主要是粘结上下两个元件，并填充上下两个元件因凹凸不平产生的间隙，而降低接触面热阻。由表2看出金锡合晶的热导率最高,得到的界面热阻也最小，是用于散热的最佳材料。随着LED功率的不断提高，对散热的要求也越来越高，寻求导热性能更好的热界面材料迫在眉睫。如在热界面材料填充石墨烯，碳纳米管制备新型的复合材料成为未来研究的方向。
翅片
散热翅片有两种类型：平面体和柱状体。柱状体容易产生紊流，流速较慢，散热效果不好，而平面体翅片能获得更好的传热效果。翅片的形状、位置、尺寸都对散热效果有影响。
当翅片朝向侧面且垂直于地面时，结温最低，这是由于翅片上的热空气可以顺畅向上流动，致使翅片底部温度最低，愈往上随着空气热量散发，而不会在芯片内部积聚。
翅片尺寸是影响散热性能的重要因素。Culham等运用Icepak软件在翅片摆放最佳位置的基础上采用单一变量法，以散热器的翅片厚度、翅片数、翅片高度为相应因子，散热器温度为相应值对翅片进行优化。
研究表明一味地增加翅片厚度或减小间距将阻碍空气流动，反而会增大翅片温度。翅片高度越大，翅片温度越低，当增大到一定值后，温度下降幅度不再明显。
二次散热技术
随着高密度高功率LED的生产与应用，单靠翅片已经不能满足散热需求，应考虑采用二次散热。目前二次散热方法包括：风冷、液冷、热电制冷、热管制冷四种。
风冷
普通风扇具有噪音大、功耗高、可靠性差等缺点，甚至带动风扇转动的旋转磁场会因漏磁而干扰正常工作，故在 LED设计中很少运用。
已有研究人员通过电离空气产生离子风的方法来冷却LED芯片，该技术的传热性能为普通风扇的1.4倍；研制出了双压电扇，传热性能是普通风扇的2.3倍，它具有完全静音、操作简单、封装方便等优点，但是高电压、不耐尘、寿命无法保证等缺点也限制了其生产应用。
液冷
近年来有研究者用金属液体作为冷却介质，不仅具有更高的导热系数，而且金属循环可以使用电磁泵驱动，无需机械运动，增强了系统可靠性。但是液冷散热系统具有体积大，成本高，工艺复杂，性能不稳定，对循环冷却装置密封要求极高等缺点，在未来LED应用中还有待提高。
热电制冷
这种技术不但能从根本上解决大功率LED的散热问题，而且允许LED 器件在高温、震荡的环境下正常工作。但是热电散热器与热沉通过热界面材料连接，不仅增加热阻而且器件工作时容易引起失效。
采用MEMS封装工艺将热电散热器直接与LED基板封装，这种封装方式使LED基座与环境之间的热阻减小为０，LED的发光效率是没有热电制冷的1.3倍。但同时该技术自身会耗电，热电转换效率不高，因而影响LED的节能性能。
热管
热管技术以其结构简单、重量轻、散热性能好、无需机械运动等优点得到了更为广泛的应用。而如何将热管技术与其他散热技术相结合，成为未来研究LED散热的一种趋势。
结论与展望
高功率、高亮度、小尺寸是LED的发展方向，因此散热问题变得至关重要，对LED芯片级、封装级、系统级三个环节的优化管理缺一不可。
每一步都必须遵循功耗低、散热性高、稳定性好、可靠性强、出光率高、成本低、体积小的设计理念。
目前选择复合型材料作为基板和热界面成为一种趋势；芯片倒装结构、热管技术与其他散热技术的结合有着很好的发展前景。
随着LED技术的不断成熟，在新的封装材料和封装结构的完美结合下，更加舒适、智能和美观的LED将逐渐走向未来市场。
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