高出力LEDの省エネクラス、放熱シリカゲルシート、サーマルグリースによる放熱構造および原理分析

LED照明器具の核心部分はPN接合であり、異なるドーピングプロセスを用いて、P型半導体とN型半導体が同じ半導体基板上に拡散法で形成され、その界面にはPN接合と呼ばれる空間電荷領域が生じます。このPN接合内部の吸収シートおよびエポキシ/シリカゲルにより、光エネルギーは熱エネルギーに変換されます。この熱はランプにとって大きな副作用をもたらし、LEDランプの内部温度を次第に上昇させ、輝度を低下させ、寿命を短縮させてしまいます。したがって、放熱性能が良好であればあるほど、LEDランプは明るさを維持し、長寿命化することが保証されます。

次に、高出力LEDパッケージ構造を紹介します：
LED光源に対する皆の要求がますます高まっているため、LEDの光取り出し効率や発光色に関する異なる要件に加え、光度などについてもさまざまなニーズが生じています。お客様のニーズに応え、包装プロセスを改善するために、各チップメーカーは包装工場に対してより高い要件を提示し、お客様のニーズにより適したパッケージ構造を設計しました。これにより、LED外部の光利用効率が向上しています。
異なる応用分野により、LED光源に対するより高い要求が提起されています。LEDの発光効率や発光色に関する異なる要件に加え、発光角度や光強度分布についてもそれぞれ異なる要件があります。これにより、上流のチップ工場は新しい半導体材料の開発やチップ製造プロセスの改善、要求仕様を満たすチップ設計を行うだけでなく、下流のパッケージング工場に対してもより高い要求を課し、特定の光強度分布を満足するパッケージ構造の設計を行い、LED外部における光利用効率を向上させることが求められています。
既存の放熱技術は、以下の部品で構成されています：放熱用アルミプロファイル、サーマルパッドまたはサーマルグリース、サーマルセラミックシート、絶縁イリジウムフィルムLEDランプ部品、電極、LEDベース、LED PN接合部
熱シリコーンゲルの放熱プロセスは以下の通りである：LEDのPN接合部から発生する熱源が、LEDベースを通じてハンダペーストの溶接層へと伝わり、さらに銅層へと移動。その後、絶縁層を経由して放熱用アルミプレートへと到達し、熱伝導パッドまたはサーマルグリスに伝えられる。そして、熱が放熱用アルミプレートへと移動することで、全体の放熱リンクが完了する。

一般的に、LEDランプのベースの熱伝導率は約80W/m・Kであり、銅層の熱伝導率は400W/m・K、アルミプレートの熱伝導率は約1W/m・Kです。また、LEDランプのシリコングasketやサーマルグリースの熱伝導率は一般的に0.8～5.0W/m・Kで、LEDのPN接合部に近いほど熱フラックス密度が高くなります。そのため、熱伝導性シリカゲル/サーマルグリースはアルミプレートの側面方向の熱伝導率を持ち、絶縁層の熱フラックス密度も高くなります。特に、最も放熱が難しいのはアルミプレートの絶縁部分であると言えます。
最も難しい熱放散はアルミ板上の絶縁層であるため、銅層と絶縁層をドリルで穴を開けて取り除き、アルミ基板が露出できるようにします。その後、素のアルミ板に亜鉛を析出させ、亜鉛表面にニッケルめっきを行います。さらに、ニッケルの上に銅めっきを施し、最後に銅の表面にスズまたは金をスプレーします。これにより、コーティングは強力な密着性と優れた熱伝導性を備え、LEDはめっき工程後にアルミ板へはんだ付けされます。はんだ付けが完了すると、LEDのPN接合部で発生した熱は、LEDベースを通じてはんだペーストのはんだ付けブロックへと伝わり、さらにアルミ板へと移動。その後、LEDランプの熱伝導シリコングasketまたはサーマルグリースを通じて熱が放散用アルミプロファイルへと伝えられ、最終的に空気中へと放出されます。非常に低い熱伝導率を持つ絶縁層を設けることで、熱放散効果が大幅に向上し、結果としてLEDベースの温度が低下。これにより、LEDランプの寿命と安定性が延びます。

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