LED燈珠散熱的計(jì)算方法

　　一、熱對(duì)LED的影響

　　1、LED是冷光源嗎？

　?。?）LED的發(fā)光原理是電子與空穴經(jīng)過(guò)復(fù)合直接發(fā)出光子，過(guò)程中不需要熱量。LED可以稱為冷光源。

　?。?）LED的發(fā)光需要電流驅(qū)動(dòng)。輸入LED的電能中，只有約15%有效復(fù)合轉(zhuǎn)化為光，大部分（約85%）因無(wú)效復(fù)合而轉(zhuǎn)化為熱。

　?。?）LED發(fā)光過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，LED并非不會(huì)發(fā)熱的冷光源。

　　2.熱對(duì)LED性能和結(jié)構(gòu)的影響

　　LED電致發(fā)光過(guò)程產(chǎn)生的熱量和工作環(huán)境溫度（Ta）的不同，引起LED芯片結(jié)溫Tj的變化。LED是溫度敏感器件，當(dāng)溫度變化時(shí)，LED的性能和封裝結(jié)構(gòu)都會(huì)受到影響，從而影響LED的可靠性。

　　(1) 光通量與溫度的關(guān)系

　　①光通量Фv與結(jié)溫Tj的關(guān)系

　　其中：Фv（Tj1）=結(jié)溫Tj1時(shí)的光通量

　　Фv（Tj2）=結(jié)溫Tj2時(shí)的光通量

　　ΔTj=Tj2 -Tj1

　　k=溫度系數(shù)

　　②光通量與環(huán)境溫度的關(guān)系

　　Ta=100℃時(shí)，LED的光通量將下降至室溫時(shí)的一半左右。

　　LED的應(yīng)用必須考慮溫度對(duì)光通量的影響。

　　(2)波長(zhǎng)與結(jié)溫Tj的關(guān)系

　　λd（Tj2）=λd（Tj1）+kΔTj

　　(3)正向壓降Vf結(jié)溫Tj的關(guān)系

　　Vf（Tj2）=Vf（Tj1）+kΔTj

　　k=ΔVf/ΔTj ：正向壓降隨結(jié)溫變化的系數(shù)，通常取-2.0mV/℃.

　　(4)熱對(duì)發(fā)光效率ηv的影響

　　*在輸入功率一定時(shí)：

　　*LED內(nèi)部會(huì)形成自加熱循環(huán)，如果不及時(shí)引導(dǎo)和消散LED的熱量，LED的發(fā)光效率將不斷降低。

　　(5)熱對(duì)LED出光通道的影響

　　*加速出光通道物質(zhì)的老化；

　　*降低通道物質(zhì)的透光率；

　　*改變出光通道物質(zhì)的折射率，影響光線的空間分布；

　　*嚴(yán)重時(shí)改變出光通道結(jié)構(gòu)。

　　(6)熱對(duì)LED電通道（歐姆接觸/固晶界面）的影響

　　*引致封裝物質(zhì)的膨脹或收縮；

　　*封裝物質(zhì)的膨脹或收縮產(chǎn)生的形變應(yīng)力，使歐姆接觸/固晶界面的位移增大，造成LED開路和突然失效。

　　(7)熱對(duì)LED壽命的影響

　　二、LED的熱工模型

　　1. LED熱量的來(lái)源

　　*輸入的電能中（約85%）因無(wú)效復(fù)合而產(chǎn)生的熱量；

　　*來(lái)自工作環(huán)境的熱量。

　　2. LED的熱工模型

　　*LED芯片很微小，其熱容可忽略；

　　*輸入電能中大部分（約85%）轉(zhuǎn)化為熱量，一般計(jì)算中忽略轉(zhuǎn)化為光的部分能量（約15%），假設(shè)所有的電能都轉(zhuǎn)變成了熱；

　　*在LED工作熱平衡后，

　　Tj=Ta+RthjaPd

　　其中Rthja=LED的PN結(jié)與環(huán)境之間的熱阻;Pd=If ·Vf：LED的輸入功率。

　　三、LED熱阻的計(jì)算

　　1.熱阻的概念

　　熱阻：熱量傳導(dǎo)通道上兩個(gè)參考點(diǎn)之間的溫度差與兩點(diǎn)間熱量傳輸速率的比值。

　　熱傳導(dǎo)模型的熱阻計(jì)算

　　*LED的熱阻計(jì)算

　　2.分立LED熱阻的計(jì)算模型

　　LED熱通道上各環(huán)節(jié)都存在熱阻，熱通道的簡(jiǎn)化熱工模型是串聯(lián)熱阻回路。

　　3.集成LED陣列熱阻的計(jì)算模型

　　集成LED（假定熱阻一致）陣列熱阻利用并聯(lián)阻抗模型計(jì)算：

　　4.幾種常見的1W大功率LED的熱阻計(jì)算

　　以Emitter（1mm×1mm芯片）為例，只考慮主導(dǎo)熱通道的影響，從理論上計(jì)算PN結(jié)到熱沉的熱阻Rthjs。

　　從以上計(jì)算可見：

　　①固晶工藝對(duì)LED熱阻有較大影響；

　?、诘寡b芯片在導(dǎo)熱上比正裝芯片稍優(yōu)；

　?、壅b芯片/共晶固晶在導(dǎo)熱上并不比倒裝芯片差；

　?、苣壳皩?shí)際制造的LED成品熱阻Rthjs比以上理論計(jì)算高出1倍左右，說(shuō)明制造工藝水平還有很大的提升空間。

　　5.幾種常見LED的熱阻參考值

　　6.熱阻對(duì)光輸出飽和電流的影響

　　熱阻值越大，光輸出越容易飽和，飽和電流點(diǎn)越低。

　　四、LED熱阻的測(cè)量

　　1.理論依據(jù)

　　半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率具有熱敏性，改變溫度可以顯著改變半導(dǎo)體中的載流子的數(shù)量。禁帶寬度通常隨溫度的升高而降低，且在室溫以上隨溫度的變化具有良好的線性關(guān)系?？梢哉J(rèn)為半導(dǎo)體器件的正向壓降與結(jié)溫是線性變化關(guān)系。

　　只要監(jiān)測(cè)LED正向壓降Vf的改變，便可以確定其熱阻。

　　2.電壓法測(cè)量LED熱阻

　　（1）測(cè)量LED溫度系數(shù)k

　?、賹ED置于溫度為Ta 的恒溫箱中足夠時(shí)間至熱平衡，Tj1=Ta ；

　?、谟玫碗娏鳎梢院雎云洚a(chǎn)生的熱量對(duì)LED的影響）If’=1mA,快速點(diǎn)測(cè)LED的Vf1；

　?、蹖ED置于溫度為Ta’(Ta’>Ta)的恒溫箱中足夠時(shí)間至熱平衡，Tj2=Ta’；

　?、苤貜?fù)步驟②，測(cè)得Vf2；

　　（2）測(cè)量LED在輸入電功率加熱狀態(tài)下的Vf變化

　?、賹ED置于溫度為Ta的恒溫箱中，給LED輸入電功率Pd，使其產(chǎn)生自加熱；

　　②維持If恒定足夠時(shí)間，至LED工作熱平衡，此時(shí)Vf達(dá)至穩(wěn)定，記錄If、Vf；

　?、蹨y(cè)量LED熱沉溫度Ts(取最高點(diǎn))；

　?、芮袛噍斎腚姽β实?strong>電源，立即（<10ms）進(jìn)行（1）之②步驟，測(cè)量Vf3。

　　（3）數(shù)據(jù)處理

　　3. LED的波長(zhǎng)隨結(jié)溫的變化也有良好的線性關(guān)系：

　　Δλ=kΔTj，可以用類似的手段通過(guò)波長(zhǎng)漂移法測(cè)量熱阻，但難度較電壓法稍大。

　　五、LED的結(jié)溫Tj

　　1.常用的結(jié)溫測(cè)算方法

　　LED的結(jié)溫Tj無(wú)法直接測(cè)量，只能通過(guò)間接的方式進(jìn)行測(cè)量估算。

　?。?strong style="margin: 0px; padding: 0px;">1）熱影像法

　　用精密熱影像儀聚焦LED芯片PN結(jié)層面，拍攝熱影像，對(duì)應(yīng)出Tj。

　　（2）熱阻測(cè)量法

　　2.LED的最大額定結(jié)溫Tjmax：

　　為確保LED工作的可靠性，在應(yīng)用中LED的結(jié)溫應(yīng)盡可能低于最大額定結(jié)溫Tjmax。

　　（1）應(yīng)用中的環(huán)境溫度Ta應(yīng)低于最大環(huán)境溫度Tamax

　?。?）為保證LED在使用中結(jié)溫不超出Tjmax，在不同的環(huán)境溫度（Ta）下，計(jì)算并確保輸入電流不超出Ifmax：

　?。ǔＲ姶蠊β蔐ED的最大額定結(jié)溫：120℃；Luxeon K2：185℃）

　　3.降低LED結(jié)溫的途徑

　　（1）減少LED本身的熱阻；

　　（2）良好的二次散熱機(jī)構(gòu)；

　　（3）減少LED與二次散熱機(jī)構(gòu)安裝界面之間的熱阻；

　?。?）控制額定輸入功率Pd；

　　（5）降低環(huán)境溫度Ta。

　　六、降低LED熱阻的途徑

　　1.降低芯片的熱阻

　　2.優(yōu)化熱通道

　?。?）通道結(jié)構(gòu)

　　*長(zhǎng)度（L）越短越好；

　　*面積（S）越大越好；

　　*環(huán)節(jié)越少越好；

　　*消除通道上的熱傳導(dǎo)瓶頸。

　?。?）通道材料——導(dǎo)熱系數(shù)λ越大越好;

　?。?）改良封裝工藝，令通道環(huán)節(jié)間的界面接觸更緊密可靠。

　　3.強(qiáng)化電通道的導(dǎo)/散熱功能

　　4.選用導(dǎo)/散熱性能更高的出光通道材料

　　七、LED應(yīng)用中的導(dǎo)熱和散熱

　　1.依LED結(jié)溫TJ的要求設(shè)計(jì)二次散熱機(jī)構(gòu)

　?、偃〉谜_的LED熱阻值Rthjs或Rthjb；

　?、谠u(píng)估LED工作時(shí)可能遭遇的最高環(huán)境溫度Tamax；

　?、蹫槭筁ED可靠地工作，最好將LED正常工作時(shí)的最大結(jié)溫T''''''''''''''''jmax設(shè)定低于LED結(jié)溫的最大額定值Tjmax；

　?、艽_定不超出額定功率的最大輸入功率Pdmax；

　?、萦?jì)算出

　?、抻?jì)算二次散熱機(jī)構(gòu)容許的最大熱阻

　　Rthsa=Rthja-Rthjs ,Rthba=Rthja-Rthjb

　　⑦依Rthsa或Rthba作為目標(biāo)值，查對(duì)LED供應(yīng)商提供的對(duì)應(yīng)Rthsa或Rthba的散熱裝置要求，以決定符合應(yīng)用需求的二次散熱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

　　2.安裝工藝

　　導(dǎo)熱環(huán)節(jié)界面平整光滑，接觸緊密可靠，必要時(shí)可加散熱膏或粘合連接安裝，以確保將LED的熱量高效地引導(dǎo)到二次散熱機(jī)構(gòu)。