LED燈珠散熱計算方法及公式ppt課件

1、LED的熱量管理的熱量管理Thermal Management Considerations for LEDs LED是冷光源嗎？一、熱對一、熱對LED的影響的影響（1LED的發(fā)光原理是電子與空穴經過復合直接發(fā)出光子，過程中不需要熱量。LED可以稱為冷光源。 （2LED的發(fā)光需要電流驅動。輸入LED的電能中，只有約15%有效復合轉化為光，大部分約85%）因無效復合而轉化為熱。 （3LED發(fā)光過程中會產生熱量，LED并非不會發(fā)熱的冷光源。 2.熱對LED性能和結構的影響 其中：vTj1）=結溫Tj1時的光通量 vTj2）=結溫Tj2時的光通量 Tj= Tj2 -Tj1 k=溫度系數 LED電致發(fā)

2、光過程產生的熱量和工作環(huán)境溫度Ta的不同，引起LED芯片結溫Tj的變化。LED是溫度敏感器件，當溫度變化時，LED的性能和封裝結構都會受到影響，從而影響LED的可靠性。 (1) 光通量與溫度的關系 光通量v與結溫T j的關系vTj2）=vTj1e -kTj不同材質類別不同材質類別 LED 的溫度系數的溫度系數 LED 材質類別材質類別 溫度系數溫度系數 k AlInGaP/ GaAs 橙紅色 9.5210-3 AlInGaP/ GaAs 黃色 1.1110-2 AlInGaP/ GaP 高亮紅 9.5210-3 AlInGaP/ GaP 黃色 9.5210-2 AlInGaP類類LED光輸出與

3、結溫關系圖光輸出與結溫關系圖相對光輸出相對光輸出Tj（）橙紅色黃色紅色InGaN類類LED光輸出與結溫關系圖光輸出與結溫關系圖相對光輸出相對光輸出綠色藍綠色藍色白色深藍色Tj（）光通量與環(huán)境溫度的關系 Ta（）相相對對光光通通量量橙紅色黃色Ta=100時，LED的光通量將下降至室溫時的一半左右。LED的應用必須考慮溫度對光通量的影響。 (2)波長與結溫Tj的關系 dTj2）=dTj1）+kTj白光白光LED色溫色溫結溫飄移曲線結溫飄移曲線Tj（）CCT(K)白色k=/Tj : LED波長波長-結溫飄移率結溫飄移率 LED 顏色 d/Tj p/Tj 單位 紅色 +0.03 +0.13 nm/ 橙

4、紅色 +0.06 +0.13 nm/ 黃色 +0.09 +0.13 nm/ 綠色 +0.04 +0.05 nm/ 藍綠色 +0.04 +0.05 nm/ 藍色 +0.04 +0.05 nm/ (3)正向壓降Vf結溫Tj的關系 VfTj2）= VfTj1）+kTj k=Vf/Tj ：正向壓降隨結溫變化的系數，通常取-2.0mV/. (4)熱對發(fā)光效率v的影響 v= =vPd =v I If f V Vf f 在輸入功率一定時：熱量結溫Tj正向壓降Vf電流If熱量發(fā)光效率v LED內部會形成自加熱循環(huán)，如果不及時引導和消散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

5、速出光通道物質的老化；降低通道物質的透光率； 改變出光通道物質的折射率，影響光線的空間分布； 嚴重時改變出光通道結構。 (6)熱對LED電通道歐姆接觸/固晶界面的影響 環(huán)氧樹脂熱膨脹系數隨溫度變化曲線環(huán)氧樹脂熱膨脹系數隨溫度變化曲線 引致封裝物質的膨脹或收縮； 封裝物質的膨脹或收縮產生的形變應力，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 不同溫度下不同溫度下AlInGaP Power LED老化測試結果老化測試結果測試時間小時）測試時間小時）相對光輸出相對光輸出實際數據外推數據實際數據外推數據實際數據外推數據不同溫度下不同溫度下InGaN Powe

6、r LED老化測試結老化測試結果果實際數據外推數據實際數據外推數據實際數據外推數據測試時間小時）測試時間小時）相對光輸出相對光輸出1二、LED的熱工模型1. LED熱量的來源 輸入的電能中約85%）因無效復合而產生的熱量；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；輸入電能中大部分約85%）轉化為熱量，一般計算中忽略轉化為光的部分能量約15%），假設所有的電能都轉變成了熱； 在LED工作熱平衡后， Tj= Ta+RthjaPd 其中Rthja=LED的PN結與環(huán)境之間的熱阻; Pd= If Vf：LED的輸入功率。 三、LED熱阻的計算 1.熱阻的概念 熱阻：

7、熱量傳導通道上兩個參考點之間的溫度差與兩點間熱量傳輸速率的比值。 Rth=Tqx 其中：Rth=兩點間的熱阻（/W或K/W） T=兩點間的溫度差（） qx=兩點間熱量傳遞速率W） 熱傳導模型的熱阻計算 Rth=L S 其中：L為熱傳導距離m） S為熱傳導通道的截面積m2） 為熱傳導系數W/mK）ST2T1LLED的熱阻計算 Rthja= Tj- Ta Pd =(Ta+Tj)- TaPd (LED工作熱平衡后Tj= Ta+Tj) Rthja=Tj Pd Rthjb=Tj- Tb Pd =(Ta+Tj)- Tb Pd=Tj Pd -Tb-Ta Pd = Rthja- Rthba Rthja= Rt

8、hjb+ Rthba 2.分立LED熱阻的計算模型 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熱阻回路。 jabsRthjsRthsbRthbajsbRthja= Rthjs+ Rthsb+ Rthba TjTsRthjsRthsb3.集成LED陣列熱阻的計算模型 TbTaRthba集成LED假定熱阻一致陣列熱阻利用并聯阻抗模型計算： 陣列總 Rthjb=單個LED RthjbN 4.幾種常見的1W大功率LED的熱阻計算 以Emitter1mm1mm芯片為例，只考慮主導熱通道的影響，從理論上計算PN結到熱沉的熱阻Rthjs。 A.正裝芯片/銀膠固晶 導熱路徑導熱路徑 有源層有源

9、層 襯底襯底 固晶層固晶層 熱沉熱沉 材料材料 InGaN Al2O3 銀膠 Cu （W/mKW/mK） 170 42 5 264 1.85 L(mm) 0.005 0.1 0.02 1.0 7.065 S(mm2) 1.0 1.0 1.0 19.625 環(huán)節(jié)熱阻（環(huán)節(jié)熱阻（K/W） 0.0294 2.381 4 1.1849 總熱阻總熱阻 Rthjs 7.60(K/W) B.正裝芯片/共晶固晶 導導熱熱路路徑徑 有有源源層層 襯襯底底 固固晶晶層層 熱熱沉沉 材材料料 InGaN Al2O3 AuSn Cu （W W/ /m mK K） 170 42 58 264 1.85 L(mm) 0.

10、005 0.1 0.01 1.0 7.065 S(mm2) 1.0 1.0 1.0 19.625 環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)熱熱阻阻（K/W） 0.0294 2.381 0.1724 1.1849 總總熱熱阻阻 Rthjs 3.77(K/W) C. Si襯底金球倒裝焊芯片/銀膠固晶 D. Si襯底金球倒裝焊芯片/共晶固晶 導熱路徑導熱路徑 有源層有源層 倒裝焊金球倒裝焊金球 襯底襯底 固晶層固晶層 熱沉熱沉 材料材料 InGaN Au Si 銀膠 Cu （W/mKW/mK） 170 317 146 5 264 1.85 L(mm) 0.005 0.02 0.25 0.02 1.0 7.065 S(mm2) 1.

11、0 0.027 2.5 2.5 19.625 環(huán)節(jié)熱阻（環(huán)節(jié)熱阻（K/W） 0.0294 2.3367 0.6849 1.6 1.1849 總熱阻總熱阻 Rthjs 5.84K/W) 導熱路徑導熱路徑 有源層有源層 倒裝焊金球倒裝焊金球 襯底襯底 固晶層固晶層 熱沉熱沉 材料材料 InGaN Au Si AuSn Cu （W/mKW/mK） 170 317 146 58 264 1.85 L(mm) 0.005 0.02 0.25 0.01 1.0 7.065 S(mm2) 1.0 0.027 2.5 2.5 19.625 環(huán)節(jié)熱阻（環(huán)節(jié)熱阻（K/W） 0.0294 2.3367 0.6849

12、 0.06897 1.1849 總熱阻總熱阻 Rthjs 4.30(K/W) F. AlN襯底共晶倒裝芯片/共晶固晶 E. AlN襯底共晶倒裝芯片/銀膠固晶 導熱路徑導熱路徑 有源層有源層 倒裝共晶層倒裝共晶層 襯底襯底 固晶層固晶層 熱沉熱沉 材料材料 InGaN AuSn AlN 銀膠 Cu （W/mKW/mK） 170 58 170 5 264 1.85 L(mm) 0.005 0.005 0.25 0.02 1.0 7.065 S(mm2) 1.0 0.39 2.5 2.5 19.625 環(huán)節(jié)熱阻環(huán)節(jié)熱阻（K/W） 0.0294 0.2210 0.5882 1.6 1.1849 總熱阻

13、總熱阻 Rthjs 3.62K/W) 導導熱熱路路徑徑 有有源源層層 倒倒裝裝共共晶晶層層 襯襯底底 固固晶晶層層 熱熱沉沉 材材料料 InGaN AuSn AlN AuSn Cu （W W/ /m mK K） 170 58 170 58 264 1.85 L(mm) 0.005 0.005 0.25 0.01 1.0 7.065 S(mm2) 1.0 0.39 2.5 2.5 19.625 環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)熱熱阻阻（K/W） 0.0294 0.2210 0.5882 0.06897 1.1849 總總熱熱阻阻 Rthjs 2.09K/W) 從以上計算可見： 固晶工藝對LED熱阻有較大影響； 倒裝芯片

14、在導熱上比正裝芯片稍優(yōu)； 正裝芯片/共晶固晶在導熱上并不比倒裝芯片差； 目前實際制造的LED成品熱阻Rthjs比以上理論計算高出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 T Ty yp pe e CHIP LED TOP LED 3mmLED 5mmLED Piranha Snap LED Power LED Rthjs (K/W) 450-550 350-450 250-350 200-300 125-155 60-75 5-20 6.熱阻對光輸出飽和電流的影響 相對光通量相對光通量輸入電流輸入電流mA）熱阻值越大，光輸出越容易飽和，飽和電流點越低。 四

15、、LED熱阻的測量 1.理論依據 半導體材料的電導率具有熱敏性，改變溫度可以顯著改變半導體中的載流子的數量。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系?？梢哉J為半導體器件的正向壓降與結溫是線性變化關系。 Vf=kTj Vf=kTj （K K：正向壓降隨溫：正向壓降隨溫度變化的系數）度變化的系數） Rthja=Tj Pd =VfkPd 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生的熱量對LED的影響If=1mA,

16、快速點測LED的Vf1； 將LED置于溫度為Ta(TaTa)的恒溫箱中足夠時間至熱平衡，Tj2= Ta； 重復步驟，測得Vf2； k=Vf2-Vf1 Tj2- Tj1 =Vf2-Vf1 Ta-Ta （2測量LED在輸入電功率加熱狀態(tài)下的Vf變化 將LED置于溫度為Ta的恒溫箱中，給LED輸入電功率Pd，使其產生自加熱；維持If恒定足夠時間，至LED工作熱平衡，此時Vf達至穩(wěn)定，記錄If、Vf；測量LED熱沉溫度Ts(取最高點)；切斷輸入電功率的電源，立刻（10ms進展1之步驟，測量Vf3。（3數據處理 3. LED的波長隨結溫的變化也有良好的線性關系：= kTj，可以用類似的手段通過波長漂移法

17、測量熱阻，但難度較電壓法稍大。 Vf= Vf3- - Vf1 Pd= I If V Vf Rthja=VfkPd Rthsa=Ts-Ta Pd Rthjs= Rthja- Rthsa 五、LED的結溫Tj 1.常用的結溫測算方法 LED的結溫TJ無法直接測量，只能通過間接的方式進行測量估算。 （1熱影像法 用精密熱影像儀聚焦LED芯片PN結層面，拍攝熱影像，對應出Tj。 （2熱阻測量法 Tj= Ta+RthjaPd 2.LED的最大額定結溫Tjmax： （常見大功率LED的最大額定結溫：120；Luxeon K2：185）（1應用中的環(huán)境溫度Ta應低于最大環(huán)境溫度Tamax Tamax= Tj

18、max-RthjaPd（2為保證LED在使用中結溫不超出Tjmax，在不同的環(huán)境溫度Ta下，計算并確保輸入電流不超出Ifmax：Ifmax=Tjmax-Tamax RthjaVf 為確保LED工作的可靠性，在應用中LED的結溫應盡可能低于最大額定結溫Tjmax。Ta（）Ifmax(mA)AlInGaP類大功率類大功率LEDInGaN類大功率類大功率LEDIfmax(mA)Ifmax(mA)Ta（）Ta（）電流降級曲線電流降級曲線小功率小功率LED3.降低LED結溫的途徑 （1減少LED本身的熱阻； （2良好的二次散熱機構； （3減少LED與二次散熱機構安裝界面之間的熱阻； （4控制額定輸入功率P