LED燈珠散熱的計(jì)算方法

1、LED燈珠散熱的計(jì)算方法時間：2014-09-23【字體：大 中 小】一、熱對LED的影響1、LED是冷光源嗎？（1）LED的發(fā)光原理是電子與空穴經(jīng)過復(fù)合直接發(fā)出光子，過程中不需要熱量。LED可以稱為冷光源。（2）LED的發(fā)光需要電流驅(qū)動。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%）因無效復(fù)合而轉(zhuǎn)化為熱。（3）LED發(fā)光過程中會產(chǎn)生熱量，LED并非不會發(fā)熱的冷光源。2.熱對LED性能和結(jié)構(gòu)的影響LED電致發(fā)光過程產(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，LED的性能和封裝結(jié)構(gòu)都會受到影響

2、，從而影響LED的可靠性。(1) 光通量與溫度的關(guān)系光通量v與結(jié)溫Tj的關(guān)系其中：v（Tj1）=結(jié)溫Tj1時的光通量v（Tj2）=結(jié)溫Tj2時的光通量Tj= Tj2 -Tj1k=溫度系數(shù)光通量與環(huán)境溫度的關(guān)系Ta=100時，LED的光通量將下降至室溫時的一半左右。LED的應(yīng)用必須考慮溫度對光通量的影響。(2)波長與結(jié)溫Tj的關(guān)系d（Tj2）=d（Tj1）+kTj(3)正向壓降Vf結(jié)溫Tj的關(guān)系Vf（Tj2）= Vf（Tj1）+kTjk=Vf/Tj ：正向壓降隨結(jié)溫變化的系數(shù)，通常取-2.0mV/.(4)熱對發(fā)光效率v的影響*在輸入功率一定時：*LED內(nèi)部會形成自加熱循環(huán)，如

3、果不及時引導(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)重時改變出光通道結(jié)構(gòu)。(6)熱對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LED壽命的影響二、LED的熱工模型1. LED熱量的來源*輸入的電能中（約85%）因無效復(fù)合而產(chǎn)生的熱量；*來自工作環(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

4、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

5、）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：固晶工藝對LED熱阻有較大影響；倒裝芯片在導(dǎo)熱上比正裝芯片稍優(yōu)；正裝芯片/共晶固晶在導(dǎo)熱上并不比倒裝芯片差；目前實(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

6、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LED正向壓降Vf的改變，便可以確定其熱阻。2.電壓法測量LED熱阻（1）測量LED溫度系數(shù)k將LED置于溫度為Ta 的恒溫箱中足夠時間至熱平衡，Tj1= Ta ；用低電流（可以忽略其產(chǎn)生的熱量對LED的影響）If=1mA,快速點(diǎn)測LED的Vf1；將LED置于溫度為Ta(Ta>Ta)的恒溫箱中足夠時間至熱平衡，Tj2= Ta；重復(fù)步驟，測得Vf2；（2）測量LED在輸入電功率加熱狀態(tài)下的Vf變化將LED置于

7、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；維持If恒定足夠時間，至LED工作熱平衡，此時Vf達(dá)至穩(wěn)定，記錄If、Vf；測量LED熱沉溫度Ts(取最高點(diǎn))；切斷輸入電功率的電源，立即（<10ms）進(jìn)行（1）之步驟，測量Vf3。（3）數(shù)據(jù)處理3. LED的波長隨結(jié)溫的變化也有良好的線性關(guān)系：= kTj，可以用類似的手段通過波長漂移法測量熱阻，但難度較電壓法稍大。五、LED的結(jié)溫Tj1.常用的結(jié)溫測算方法LED的結(jié)溫Tj無法直接測量，只能通過間接的方式進(jìn)行測量估算。（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，對應(yīng)出Tj。（2）熱阻測量法2.L

8、ED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（2）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：（常見大功率LED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；（4）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（1）通道結(jié)構(gòu)*

9、長度（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。（2）通道材料導(dǎo)熱系數(shù)越大越好;（3）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)取得正確的LED熱阻值Rthjs或Rthjb；評估LED工作時可能遭遇的最高環(huán)境溫度Tamax；為使LED可靠地工作，最好將LED正常工作時的最大結(jié)溫T''''''''''''''''jmax設(shè)定低于LED結(jié)溫的最大額定值Tjmax；確定不超出額定功率的最大輸入功率Pdmax；計(jì)算出計(jì)算二次散熱機(jī)構(gòu)容許的最大熱阻Rthsa= Rthja-Rthjs  ,   Rthba=&