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LED及相關(guān)熱管理

作者: 時(shí)間:2012-05-04 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

作為一種新型的半導(dǎo)體光源己愈來愈受到業(yè)界的重視,燈和背光源己在多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,本文將介紹半導(dǎo)體光源的一些特點(diǎn)及(Thermalmanagement)的目的、要點(diǎn)、“熱歐姆定律”、熱流傳輸及節(jié)點(diǎn)溫度檢測分析方法、導(dǎo)熱石墨及鋁散熱器應(yīng)用的對比的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果,供讀者參考。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/168069.htm

LED半導(dǎo)體光源的特點(diǎn)

與白熾燈、傳統(tǒng)日光燈及鹵素?zé)舨煌琇ED半導(dǎo)體光源是用半導(dǎo)體材料制成的,由一PN結(jié)構(gòu)成,空穴—電子對復(fù)合產(chǎn)生光,工作在PN結(jié)的正向,P區(qū)為正(陽)極,N區(qū)為負(fù)(陰)極。LED半導(dǎo)體光源體積小、發(fā)光效率高,響應(yīng)時(shí)間短、節(jié)能。此外,它還有傳統(tǒng)光源所沒有的特點(diǎn):1.與一般PN結(jié)器件(如二極管)類似的特性:

●正向(forward)電壓必須超過一定的閾值才有電流;

●正向電壓和正向電流均為負(fù)溫度系數(shù),隨溫度升高而減少;

●反向時(shí),無電流不工作。

2.像所有半導(dǎo)體器件一樣其工作溫度要受以下一些因素的制約:

●結(jié)溫必須保持在額定值95?C~125?C以下(視發(fā)光器件而異),否則將引起失效;

●如表面有塑料透鏡的,還將受透鏡材料熔點(diǎn)溫度的限制;

●LED的亮度與正向電流,而在結(jié)溫超過一定值后正向電流減小,亮度減弱。

通常LED的失效模式有二種可能:光衰變(Lightdegradation)和整體失效(Totalfailure)。當(dāng)發(fā)射光降至其初始值的50%時(shí)發(fā)生光衰變;除超過允許最高結(jié)溫引起整體失效外,整體失效的發(fā)生還由于內(nèi)部開路所致,這包括:芯片與引線框架之間,芯片與鍵合絲之間,以及鍵合絲與引線框架之間等。失效原因之一是LDE樹脂玻璃透鏡超溫,再軟化,再冷卻后產(chǎn)生的應(yīng)力使內(nèi)部發(fā)生開路。

使用者了解這些特性十分重要,特別是其熱特性。這不禁使筆者想起當(dāng)年晶體管取代電子管在電子電路中應(yīng)用時(shí)的情景,由于作為半導(dǎo)體器件的晶體管對溫度的敏感性,在應(yīng)用伊始,一些過去熟悉電子管應(yīng)用的工程技術(shù)人員認(rèn)為晶體管雖然有許多優(yōu)點(diǎn),但其可靠性不如電子管,然而新生事物的力量是不可阻擋的,隨著應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步,采用溫度補(bǔ)償和負(fù)反饋抑制溫度漂移和穩(wěn)定工作點(diǎn)等方法,己使晶體管及半導(dǎo)體集成電路技術(shù)成為今天電子信息技術(shù)的核心技術(shù)。在光源技術(shù)領(lǐng)域,LED的應(yīng)用技術(shù)也必將經(jīng)歷如何揚(yáng)長避短這一過程。

設(shè)計(jì)與“熱歐姆定律”

進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的目的是:

●確保器件在合適的條件下工作,以達(dá)到高可靠性;

●防止在超應(yīng)力條件下驅(qū)動(dòng),延長LED的工作壽命;

●在最大可能電流下工作,以提高光輸出性能。

熱管理的要點(diǎn)是:通過導(dǎo)熱和散熱使LED工作溫度保持在合理的范圍內(nèi)。通常依靠熱傳導(dǎo)將LED的熱量導(dǎo)向散熱片,再將“埋在”散熱片中的熱量散發(fā)出去,這一“導(dǎo)”一“散”非常重要,缺一不可,且散熱不僅要依靠傳導(dǎo)還要靠對流和輻射等方式。

在進(jìn)行熱管理分析時(shí),常用的基本定律是熱流定律即所謂“熱歐姆定律”。

在分析電流傳輸時(shí),歐姆建立了眾所周知的歐姆定律即:U=RI,這里R為電阻,I為電流,U為電阻R兩端的電位差。而在熱流傳輸時(shí)有形式上與其相似形式的定律即:△T=RthPo也被一些應(yīng)用者稱為“熱歐姆定律”(實(shí)際上此定律與歐姆無關(guān))。

這里Rth表示熱阻,表征熱流傳輸?shù)淖枇?。單位?C/W;Po為熱流,即單位時(shí)間傳輸?shù)臒崃縋o=Q(熱量)/t(時(shí)間),量綱與功率相同。

△T表示熱流傳輸途中兩點(diǎn)間的溫差,即此兩點(diǎn)間熱阻上的溫差。

在檢測電子電路時(shí)我們常用萬用表檢測結(jié)點(diǎn)的電位和電位差即電壓。而在檢測熱流傳輸時(shí)則可用點(diǎn)溫計(jì)、熱電偶及及紅外熱像儀來檢測熱流傳輸路徑上相關(guān)節(jié)點(diǎn)的溫度及溫差。

在歐姆定律中,串聯(lián)電路中電流處處相等,而熱流傳輸則并不如此,在某些點(diǎn)會(huì)因?yàn)闊嶙柽^大而使熱流傳輸受阻,使熱量積聚。

用“熱歐姆定律”可以檢測和估算的有:

●類似于電路分析中建立等效電路,在熱流分析時(shí)亦可建立等效熱流路徑圖。

●檢測和估算LED結(jié)溫Tj;

●判別相關(guān)結(jié)點(diǎn)間的散熱效果,熱阻大??;

●估使用不同材質(zhì)散熱器時(shí)LED工作狀態(tài)的優(yōu)劣。

在熱流分析時(shí)有幾個(gè)重要的溫度結(jié)點(diǎn)分別是

:●芯片PN結(jié)的結(jié)點(diǎn)溫度Tj,應(yīng)小于產(chǎn)品規(guī)定的額定值,以使其工作在安全范圍內(nèi)。

●焊點(diǎn)溫度Ts,即LED引出端與基座板焊盤處的溫度。

●散熱器片與外環(huán)境界面溫度Ta要使熱源LED產(chǎn)生的散出來,使結(jié)溫Tj保持在合理安全的數(shù)值,以期獲得器件允許的最大正向電流If得到最高的發(fā)光效果是關(guān)鍵所在。

分析實(shí)例這里要介紹的三實(shí)例是:熱流圖的建立、計(jì)算某SMT封裝結(jié)構(gòu)(SMD型)LED的結(jié)溫Tj,以及使用不同散片材料對LED性能影響的初步實(shí)驗(yàn)。

1.等效熱流圖

圖1和圖2分別為SMT封裝(即SMD型)LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和靜態(tài)等效熱路。

圖1SMD型LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖中箭頭所指為熱流傳輸路徑。

圖2SMD型LED靜態(tài)等效熱路圖在此靜態(tài)等效熱路中,內(nèi)部熱阻由4部份串聯(lián)而成,即內(nèi)部熱阻=芯片熱阻+芯片鍵合(附著)熱阻+引線框熱阻+焊點(diǎn)熱阻。外部熱阻由特定應(yīng)用條件所決定,如LED組裝在PCB板上,則其外部熱阻=焊盤熱阻+PCB熱阻。

Po為熱流,Tj為結(jié)溫,Ts為焊點(diǎn)溫度,Ta為環(huán)境界面溫度。

2.結(jié)溫檢測及估算

對某一(LAE67B)SMT封裝結(jié)構(gòu)的LED,用點(diǎn)溫計(jì)測得焊點(diǎn)溫度Ts=70?C同時(shí)測得外加正向電壓U為2.1V,正向電流為50mA。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中查得LAE67B的熱阻值為130?C/W,并假設(shè)電功率全部轉(zhuǎn)換為熱流,按“熱歐姆定律”計(jì)算:Tj=130130?C/W50mA2.1V+70?C=83.7?C實(shí)際結(jié)溫Tj小于最高允許結(jié)溫125uC,工作是安全的。

3.使用不同散熱片材料對LED性能影響的初步實(shí)驗(yàn)從前述分析可以看出,溫度對LED的發(fā)光性能、壽命及可靠性都有很大影響,散熱效果對了的LED性能的影響是一個(gè)涉及面很廣研討課題。本示例僅是初步的實(shí)驗(yàn)。

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