高亮度LED应用中热量管理问题解决方案

    在全球性的能源短缺和环境污染加剧的今天，LED以其节能环保的特点有着广阔的应用空间。LED灯具由LED器件、散热结构、驱动器、透镜组成。如果LED器件不能很好散热、它的寿命也会受影响。根据Cree XLamp XR-E 的测试报告，LED器件温度越低，越能延长LED灯的寿命。因此，解决热量管理问题已成为高亮度LED应用中的关键。

    不过，LED光源热量的多少并不是影响LED的主要问题，热量集中(从而形成热点)才是问题的关键。对一般标准的LED器件而言，1W LED器件的热通量大约为100W/cm2，3W LED器件的热通量则高达300W/cm2，而一般的CUP的热通量才为60~130W/cm2。热量集中在尺寸很小的晶片内，晶片温度升高，引起热应力的分布不均匀、晶片发光效率和萤光粉发射效率下降。当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律增加。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，散热问题就更严重了。

    LED器件的散热途径主要是热传导和热对流。传统上，LED灯具的散热结构包括基底、散热片以及散热器。基底将晶粒的热能传导出来，可以导热但不导电。散热片将热扩散开来，以免热堆积于LED 光源处，并且可以提升散热器的效率。散热器则可以热有效地发散于空气中。不过，基底材料极低的热导率容易导致器件热阻增加，产生严重的自加热效应，对器件的性能和可靠性带来毁灭性的影响。

    Microloops(迈科)的均热板(Vapor Chamber)能实现超高热流密度传热，可解决高功率LED的热点问题。均热板是一个内壁具微结构的真空腔体，当热由热源传导至蒸发区时，腔体里面的工质会在低真空度的环境中，便会开始产生液相气化的现象，此时介质吸收热能并且体积迅速膨胀，气相的介质会很快充满整个腔体。当气相介质接触到一个比较冷的区域时便会产生凝结的现象，藉由凝结的现象释放出在蒸发时累积的热，凝结后的液相介质会藉由微结构的毛细现象再回到蒸发热源处。此运作将在腔体内周而复始进行，这就是均热板的运作方式。由于工质在蒸发时微结构可以产生毛细力，所以均热板的运作可不受重力的影响。

    图1给出了采用均热板的LED灯的散热结构，它去掉了基底，减少一大部分热阻。 LED器件可以紧密排列并直接绑定在均热板上，并以标准打线封装机台直接封装LED器件及相关电路，构建成一个独立光源。

    这种将LED器件直接绑定在均热板上的方法有明显的好处。LED器件的下方与均热板接触，可以通过均热板把点热源扩散并可有效地将热传递至后端，从而降低热点溫度Tj，提高LED寿命。此外，这种方法还可集中摆放LED器件，让光源集中，有利二次光学设计。而采用SMD封装的均热板还可以使用SMD自动化设备进行大批量生产。

    图2给出了采用均热板的高功率LED灯(将总功率为50W的多个LED直接绑定在均热板)与采用铜基底的同样功率LED灯的温度对比。

图2：采用均热板(VC)和采用铜基底(Cu)的高功率LED灯的温度对比。

    除了应用在高功率LED路灯外，目前均热板解决方案还主要用在功率半导体冷却、刀片服务器、图形显示卡、电信基础设施、功放、雷达发射模块、卫星和笔记本电脑上。迈科的均热板的尺寸和形状可定制，其最低热阻已低至每瓦0.05度，厚度小于3mm。该公司还开发了能处理300W热功率以上的均热板来解决高端图像卡的散热问题。超薄设计可提供3.0mm厚度均热板可为单插槽图像卡提供150W的散热能力。