近日，华南理工大学李宗涛和李家声领导的研究团队在国际期刊《Applied Thermal Engineering》2024年8月发表了题为“A review on thermal management of light-emitting diodes: From package-level to system-level”的综述文章（https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.124145），系统得总结了近些年来有关LED热管理的封装级和系统级策略。

图1.本文概述了有关LED封装级和系统级的热管理方法。封装级的热管理方法包括芯片结构，基板，热界面材料，荧光层和封装结构，系统级的热管理方法包括被动散热的空冷热沉，热管和浸没式冷却，以及主动散热的离子风，喷雾冷却，射流冷却和微流道散热器。

图2.LED的两个主要热源分别是芯片有源层和荧光层。有源层和荧光粉层产生的热量沿着两条路径散失。一条是通过荧光粉层到封装结构（向上路径），另一条是通过有源层、基板到系统级散热器（向下路径）。

图3.不同结构的LED芯片结构关系到LED芯片有源层的散热路径。如图3(a)所示，水平芯片由以下各层组成，从上到下依次为：电极（P-PAD/N-PAD）、P-GaN、有源层、N-GaN和衬底。如图3（b）所示，倒装芯片的结构与水平芯片相反。如图3（c）所示，垂直芯片设计具有独特的特点。在垂直芯片设置中，焊盘位于LED芯片的上下两个表面。

图4.该图展示了对于LED芯片结构的热管理。如图4(c)所示，Haina Ci等人发现垂直取向石墨烯（VG）纳米壁作为缓冲层增强了蓝宝石衬底和AlN薄膜之间的纵向散热，并在高注入电流（350mA）条件下将温度降低了3.8%。

图5.LED衬底的主要功能是促进有效的热管理。作为芯片有源层散热途径中的关键部件，衬底吸收芯片产生的热量并将其传递到散热器，从而有效降低LED芯片的工作温度。因此，衬底作为LED芯片与外部环境进行热交换的中介，起着至关重要的作用。如图5(c)所示，Zou等人采用一步式液相等离子体辅助电泳和烧结（LPES）技术在铝基底上制备了一种结构新颖的纳米复合涂层。实验结果表明，在电解液中加入较多的SiC会使更多的纳米颗粒加入涂层中。与裸铝基板相比，添加8g/L SiC所形成的涂层能够将1w和5W功率LED的温度分别降低10.0和15.8°C，冷却效率最高，分别为19.1%和21.0%。

图6.高功率密度设备的电子元件和散热器内经常会出现小空隙。因此，这两个元件之间的有效接触面积通常仅限于散热器基底面积的10%左右。这些空隙被导热系数较低的空气占据。因此，优化不同界面之间的热传导至关重要。使用适当的热界面材料可以提高界面接触的效率，而通过填充大量减少空隙可以有效降低接触热阻。如图6(d)所示，Ying Cui等人通过合理设计聚合物复合材料中的Bas微晶，s-Bas具有高达21W/m-K的高导热率和类似于生物软组织的低至100kPa的优异弹性顺应性。此外，s-Bas还具有很高的柔韧性，并能在至少500次弯曲循环中保持高导电性，这为柔性散热带来了新的应用机遇。将s-Bas与功率LED设备集成，并测量s-Bas的优异冷却性能，结果表明其冷却性能超过了目前的技术水平，热点温度降低了45℃。

图7.LED荧光层在LED照明产品中起着至关重要的作用，它能转换成各种颜色。然而，荧光粉层产生的热量是LED热源的一个重要方面。事实证明，高热导率粒子掺杂和静电纺丝等技术能有效提高热导率。必须仔细评估掺入高导热粒子是否会影响LED的光学特性，同时在热学和光学因素之间保持平衡。如图7(b)所示，Shuling Zhou等人系统地研究了hBNs对白光发光二极管（WLED）中量子点/荧光粉薄膜光热特性的影响，在薄膜中添加hBNs比添加荧光粉在发射光谱、光功率和散热方面发挥更好的作用。

图8.研究封装结构以改善LED散热是学术研究的一个关键领域。研究人员开发了各种封装配置，以减少荧光粉层的发热并优化热量扩散途径。图8(e)所示，李宗涛等人比较了片上QD结构和QD远程芯片结构，发现在250mA电流下，片上QD结构可将最大表面温度从82.7℃大幅降低到60.2℃，并且工作寿命更长。此外，隔离封装结构的设计也能实现热管理。

图9.在被动冷却中，散热不需要外部电源。被动冷却技术利用空气或液体的自然对流作为散热介质。如图9(a)所示，Huang等人提出了两种新的LED鳍片散热器模型，即针板鳍片（PPF）和斜板鳍片（OPF），通过增加总表面积和引入大量小间隙来促进空气流动和混合。

图10.热管作为一种高效的被动冷却技术，利用热传导原理和相变介质的快速传热特性，将发热物体的热量迅速传递到热源之外。如图10(c)所示，Huang等人通过在散热器上增加带槽热管的鳍片提高了LED的热传导效率，其热导率可达6000 W/(m-K)。浸入式冷却是一种利用自然对流直接冷却LED芯片的技术，对于热通量超过100 W/cm2的大功率LED来说，浸入式冷却是一种前景广阔且经济高效的解决方案。如图10(d)所示，冷却液可直接接触芯片和荧光粉的热点，使LED封装的热阻降低了15%，同时功率转换效率也提高了7%。

图11.通过高压电场电离空气，产生带正电和负电的空气分子。这些带电分子随后受到电场的影响，从而产生运动和气流。研究人员发现，这种电场应用可以产生电晕风，增强热量传递。如图11(a)所示，Jing Wang等人提出了一种“线对网”、“网对网”和“多针对网”离子风力涡轮机，用于增强大功率LED（HP-LED）的热传递。

图12.喷雾冷却过程是将冷却液喷洒到需要冷却的设备表面。这种液体在接触后迅速蒸发，从而带走物体表面的热量。喷雾冷却被认为是一种有效的散热方法。如图12(a)所示，Xiang等人发现双喷嘴配置大大提高了散热能力，传热系数达到20.7 kW/(m2·K)，比单喷嘴高出65.8%。喷流冷却系统的结构示意图如图12(c)和(d)所示。

图13.随着LED微型化的发展，其热流密度进一步增加，对热管理的要求也越来越高。除了增加对流传热系数外，还需要更小的散热器体积。因此，微通道散热器在LED应用中展现出巨大的潜力，它是一种新型的热交换器，具有高导热性的微/纳米级微流体通道，能够吸收极高的热通量。如图13(b)所示，Xiang等人提出了一种蜂窝状微通道结构。如图13(c)所示，Lin等人提出了一种集成热电冷却器(TEC)和水冷微通道散热器的冷却装置，以改善大功率LED前灯的热管理。

本综述全面分析了LED热管理的现状，从封装级和系统级两个不同的角度进行了研究。在封装层面，热管理的主要方法包括修改芯片结构、次级安装、TIM和荧光粉层的材料。实现热管理有两种方法。第一种方法是使用热传导率高的材料，将芯片和荧光粉层的热量有效地传导到封装级边界。第二种方法是利用相变材料，这种材料可以储存热量，而不会增加封装级的内部温度。通过储存多余的热量，相变材料可确保LED的结温保持在可接受的范围内。此外，开发了独特的封装结构，以优化热传导路径并创建高效的散热通道，从而提高LED的散热能力。

在系统级热管理方面，传统的LED器件能够有效利用较大的风冷散热器、热管或其他类似技术。随着LED设备变得越来越紧凑、功能越来越强大，有效冷却它们变得越来越具有挑战性，传统的被动冷却方法已无法满足要求。因此，主动冷却已成为系统级外部散热器的首选，如喷雾冷却和喷射冷却。另一方面，微流体散热器专门设计用于创建微米/纳米级通道，具有出色的导热性和更高的热传导效率。使用纳米流体作为工作流体可以显著提高对流传热系数。

在可预见的未来，随着LED技术的不断进步，功率密度越来越高，LED热管理技术也将不断改进和创新。LED的热管理涉及两个关键方面：封装级和系统级。在封装层面，主要目标是将LED芯片和荧光粉层产生的热量有效传递到LED封装的边界。相反，在系统层面，重点则转移到将热量排出封装，并促进热量迅速散发到周围环境中。

未来在封装级热管理方面的努力将集中在重塑散热路径和减少荧光粉层的发热量上。LED热管理技术研究将强调荧光层材料的选择、高性能热界面材料（如石墨烯和聚合物）的利用以及新型封装结构的进步。在系统级热管理方面，将越来越重视微通道散热器、喷雾冷却和喷射冷却。正在进行的研究还在调查纳米流体作为散热器工作流体的应用。

此外，专为大功率半导体器件开发的多种高效散热器，为LED的热调节提供了一条大有可为的途径。然而，评估这些热管理技术是否会对LED的光输出或其他相关因素产生潜在影响至关重要。