LED半導(dǎo)體光源的特點(diǎn)及相關(guān)熱管理

LED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，LED燈和背光源己在多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，本文將介紹LED半導(dǎo)體光源的一些特點(diǎn)及相關(guān)熱管理（Thermal management）的目的、要點(diǎn)、“熱歐姆定律”、熱流傳輸及節(jié)點(diǎn)溫度檢測(cè)分析方法、導(dǎo)熱石墨及鋁散熱器應(yīng)用的對(duì)比的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，供讀者參考。

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?，LED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(duì)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 ℃～125 ℃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的亮度與正向電流相關(guān)，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（Light degradation）和整體失效（Total failure）。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(duì)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(zhǎng)避短這一過程。熱管理設(shè)計(jì)與“熱歐姆定律”

進(jìn)行熱管理設(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(zhǎng)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(duì)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”。