基于多芯片模块的大功率LED 最佳散热方案研究

文/马健儿

发光二极度管作为新一代绿

色环保、低碳、节能型固体照明

光源，正越来越广泛地应用到照

明领域，更因其所具有的独特优

点，受到汽车照明市场的青睐。

汽车灯具如前照灯功率大，而大

功率LED 只有约30% 的输入功率

转化为光能，其余的则变成了热

能，使LED 芯片温度升高，而高

温对芯片的工作性能影响极大：

会导致芯片出射的光子减少，从

而降低光输出；会严重影响荧光

粉的特性而引起波长漂移，使色

温质量下降导致颜色不纯；会加

快芯片老化，缩短器件寿命。这

个问题制约了发光二极管在汽车

照明中的普及。本文从芯片的封

装材料( 基板）及多芯片的排列

方式这两个方面入手，旨在找到

最优散热方案。

摘 要

转化为光能，而将其余的转化为热能，因此会

使LED 芯片温度升高，而温度对LED 芯片的

工作性能影响极大，高温会导致芯片出射的光

子减少，从而降低光输出，还会严重影响荧光

粉的特性而引起波长漂移，使色温质量下降导

致颜色不纯，同时，它会加快芯片老化，缩短

器件寿命等。因此，为保证LED 正常工作，

必须将其散发出来的热量及时的散发出去。尤

其是大功率多芯片模块构成的LED，热流密

度可高达到106W/m2 以上，散热问题更为严峻，

它已成为阻碍大功率LED 光源发展的关键难

题，成为大功率LED 照明灯具生产厂家的发

展瓶颈，当然，也制约了它作为汽车照明尤其

是前照灯光源的普及应用。因此谁若优先掌握

了大功率LED 的散热技术，谁就占有了LED

光源市场。

1 国内外研究现状及存在的问题

以往，日欧美是全球 LED 白光技术的领

导者，是最先进的照明用 LED 制造中心，是

首先将LED 用作汽车前照灯光源的国家，台

韩紧随其后，中国相对较落后，即使是LED

最发达的珠三角地区，也只是全球最大的

LED 封装基地，属于下游。但近10 年来，在

国家政策的扶持下，研究机构与企业合作，使

LED 技术有了突飞猛进的发展，基本实现了

LED 的本土化，为车用LED 的发展奠定了基

础。但目前汽车照明还只是用于内部照明（包

括仪表、内部照明灯、电子指示灯等）和外部

照明（包括刹车灯、尾灯、雾灯、方向灯、侧

灯等）这些，前照灯这种大功率照明因技术局

限成本很高，应用很少，自丰田首次将LED

应用于一款凌志车前照灯的近光灯照明开

始，LED 仅在一些高端车中使用，如Lexus、

Audi、CadillacEscalade 等。因此， 要想在汽

车大功率照明中普及，需要研制出能解决上述

缺陷的低成本的LED。目前，有越来越多的

公司、技术人员正加大技术研发力度，以期推

动LED 在汽车照明市场的普及。如欧司朗、

飞利浦等车灯供应商都正在致力于LED 用作

汽车照明的技术研发。

因单个LED 芯片功率有限（目前单个最

大功率为5W 左右），LED 照明灯具大都采

用多个LED 芯片组合形成较大功率的照明结

构，获得理想的照明强度以及照明范围，因此

需要在同一个基板材料上集成多个LED芯片。

为实现光强的均匀分布，需要对各LED 芯片

的位置进行优化设计。目前生产中，主要采用

导热胶粘接的方式实现多个LED 芯片与基板

的粘连。该种方法存在的主要问题是导热胶的

热阻偏大，不能很好的将LED 芯片所产生的

热量及时散发出去，从而导致以上所提及的一

系列热问题，长时间的热积累还会导致导热胶

粘连失效。目前较为先进的工艺方案是采用共

晶键合的方法来降低LED 芯片与基板间的界

面热阻，解决散热问题。具体方案为采用共晶

钎料焊膏将LED 芯片进行粘连定位，然后通

过回流焊的方法将多个芯片与基板键合连接。

● 2014 年浙江省高等学校访问工程师项目，（编号：1541001）。

图1：结温与使用寿命的关系

图2：LED 封装结构散热路径

图3：大功率多芯片模块