LED照明散熱與分析2

LED照明散熱與分析2代福Ioe_daif@126.com大功率LED熱分析大功率LED熱設(shè)計上節(jié)課知識回顧LED結(jié)溫LED的基本結(jié)構(gòu)是一個半導(dǎo)體P-N結(jié)。當(dāng)電流流過LED元件時，P-N結(jié)的溫度將上升。嚴(yán)格意義上說，P-N結(jié)區(qū)的溫度即為LED的結(jié)溫。通常，元件芯片的尺寸很小，因此，我們也把LED芯片的溫度視之為結(jié)溫。結(jié)溫對LED性能的影響1、發(fā)光效率－溫度上升，光效降低。2、主波長－溫度上升，藍(lán)光向短波長漂移，其它顏色向長波長的漂移(紅移)。3、相關(guān)色溫(CCT)－溫度上升，白光的相關(guān)色溫升高，其它顏色的相關(guān)色溫降低。4、正向電壓－溫度上升，正向電壓降低。5、反向電流－溫度上升，反向電流增大。6、熱應(yīng)力－溫度上升，熱應(yīng)力增大。7、器件的使用壽命－溫度上升，器件的使用壽命減短。8、如果LED封裝有熒光粉，環(huán)氧樹脂等，溫度的上升還將導(dǎo)致這些材料發(fā)生劣化。降低LED結(jié)溫的途徑有哪些？A、減少LED本身的熱阻；B、良好的二次散熱機構(gòu)；C、減少LED與二次散熱機構(gòu)安裝介面之間的熱阻；D、控制額定輸入功率;E、降低環(huán)境溫度

LED熱阻當(dāng)正向電流從PN結(jié)流過時，PN結(jié)有發(fā)熱損耗，這些熱量通過黏結(jié)膠、灌封材料、熱沉等，輻射到空氣中。在這個過程中，每一種材料都有阻止熱量流過的熱阻抗，即熱阻。定義：在熱平衡條件下，熱阻為兩規(guī)定點（或區(qū)域）溫度差與產(chǎn)生這兩點溫度差的熱耗散功率之比。熱阻是由器件的尺寸、結(jié)構(gòu)及材料所決定的固定值。用Rth(℃/W)表示。熱耗散功率用PD(W)表示，大小為學(xué)會分析熱阻構(gòu)成Rth=RJS+RSB+RBA大功率LED熱分析一、熱量傳遞的三種基本方式

熱量傳遞共有三種基本方式：熱傳導(dǎo)（HeatConduction）；熱對流（Heatonvection）；熱輻射（HeatRadiation）。⒈熱傳導(dǎo)是指一個物體各部分之間或各物體之間存在溫差且無相對宏觀運動時發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象。導(dǎo)熱是物質(zhì)的固有本質(zhì)，無論是氣體、液體還是固體，都具有導(dǎo)熱的本領(lǐng)。熱傳導(dǎo)過程中傳遞的熱量按照Fourier導(dǎo)熱定律計算：其中：A為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2;Th與Tc分別為高溫與低溫面的溫度，δ為兩個面之間的距離，單位為m。λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m*℃），表示了該材料導(dǎo)熱能力的大小。一般說，固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體，液體的大于氣體。例如常溫下純銅的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)400W/(m*℃），純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為236W/(m*℃），水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6W/(m*℃），而空氣僅0.025W/(m*℃）左右。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高且密度低，所以散熱器基本都采用鋁合金加工，但在一些大功率芯片散熱中，為了提升散熱性能，常采用鋁散熱器嵌銅塊或者銅散熱器。大功率LED管芯通過良好的導(dǎo)熱材料粘接于基板上，基板下面通常會連接良好散熱的熱沉，熱量通過導(dǎo)熱材料傳到基板上釋放出去。2、熱對流與對流換熱對流換熱是指運動著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時與固體表面之間發(fā)生的熱量交換過程。根據(jù)流動的起因不同，對流換熱可以分為強制對流換熱和自然對流換熱兩類。前者是由于泵、風(fēng)機或其他外部動力源所造成的，而后者通常是由于流體自身溫度場的不均勻性造成不均勻的密度場，由此產(chǎn)生的浮升力成為運動的動力。機柜中通常采用的風(fēng)扇冷卻散熱就是最典型的強制對流換熱。在終端產(chǎn)品中主要是自然對流換熱。自然對流散熱分為大空間自然對流（例如終端外殼和外界空氣間的換熱）和有限空間自然對流（例如終端內(nèi)的單板和終端內(nèi)的空氣）。值得注意的是，當(dāng)終端外殼與單板的距離小于一定值時，就無法形成自然對流，例如手機的單板與外殼之間就只是以空氣為介質(zhì)的熱傳導(dǎo)。對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算：其中：A為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2;Tw與Tf分別為固體壁面與流體的溫度，h是對流換熱系數(shù)，自然對流時換熱系數(shù)在1～10W/(℃*m2)量級，實際應(yīng)用時一般不會超過3～5W/(℃*m2)；強制對流時換熱系數(shù)在10～100W/(℃*m2)量級，實際應(yīng)用時一般不會超過30W/(℃*m2）。3熱輻射當(dāng)物質(zhì)微觀粒子(原子)內(nèi)部的電子受激和振動時，將產(chǎn)生交替變化的電場和磁場，所發(fā)出電磁波向空間傳播，即為熱輻射。從物理本質(zhì)上講，熱輻射(thermalradiation)和其他所有各種輻射一樣，都是電磁波。它們之間的內(nèi)在區(qū)別是導(dǎo)致發(fā)射電磁波的激勵方式不同，而外在表現(xiàn)是發(fā)射的波長不一樣，以及吸收該電磁波之后所引起的效應(yīng)不同。熱輻射的特點與導(dǎo)熱及對流有著顯著的不同之處?；疽?guī)律：黑體輻射的斯蒂藩—玻耳茲曼定律式中：E為輻照度，ε為黑體的輻射系數(shù)，σ=5.67?10-8W/(m2.k4)為斯蒂藩—玻耳茲曼常數(shù)。物體表面之間的熱輻射計算是極為復(fù)雜的，其中最簡單的兩個面積相同且正對著的表面間的輻射換熱量計算公式為：Q＝A?5.67?10-8/(1/εh+1/εc-1)?(Th4-Tc4)式中T指的是物體的絕對溫度值＝攝氏溫度值＋273.15；ε是表面的黑度或發(fā)射率，該值取決于物質(zhì)種類，表面溫度和表面狀況，與外界條件無關(guān)，也與顏色無關(guān)。磨光的鋁表面的黑度為0.04,氧化的鋁表面的黑度為0.3，油漆表面的黑度達(dá)到0.8，雪的黑度為0.8。由于輻射換熱不是線性關(guān)系，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，終端的溫度與環(huán)境的相同溫差條件下會散去更多的熱量。塑料外殼表面噴漆，PCB表面會涂敷綠油，表面黑度都可以達(dá)到0.8，這些都有利于輻射散熱。對于金屬外殼，可以進(jìn)行一些表面處理來提高黑度，強化散熱。對輻射散熱一個最大錯誤認(rèn)識是認(rèn)為黑色可以強化熱輻射，通常散熱器表面黑色處理也助長了這種認(rèn)識。實際上物體溫度低于1800℃時,有意義的熱輻射波長位于0.38~100μm之間，且大部分能量位于紅外波段0.76~20μm范圍內(nèi)，在可見光波段內(nèi)，熱輻射能量比重并不大。顏色只與可見光吸收相關(guān)，與紅外輻射無關(guān)，夏天人們穿淺色的衣服降低太陽光中的可見光輻射吸收。因此終端內(nèi)部可以隨意涂敷各種顏色的漆。三種熱量傳遞方式并不是單獨出現(xiàn)，在傳熱過程中三種熱量傳遞方式常常聯(lián)合起作用。改善大功率LED散熱的關(guān)鍵問題

目前，很多功率型LED的驅(qū)動電流達(dá)到70mA、100mA甚至1A，這將會引起芯片內(nèi)部熱量聚集，導(dǎo)致發(fā)光波長漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等一系列問題。業(yè)內(nèi)已經(jīng)對大功率LED的散熱問題作出了很多的努力：通過對芯片外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使用表面粗化技術(shù)等提高芯片內(nèi)外量子效率，減少無輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格振蕩，從根本上減少散熱組件負(fù)荷；通過優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)、材料，選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MCPCB)，使用陶瓷、復(fù)合金屬基板等方法，加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。

多數(shù)廠家還建議在高性能要求場合中使用散熱片，依靠強對流散熱等方法促進(jìn)大功率LED散熱。盡管如此，單個LED產(chǎn)品目前也僅處于1～10W級的水平，散熱能力仍亟待提高。

相當(dāng)多的研究將精力集中于尋找高熱導(dǎo)率熱沉與封裝材料，然而當(dāng)LED功率達(dá)到10W以上時，這種關(guān)注遇到了相當(dāng)大的阻力。即使施加了風(fēng)冷強對流方式，犧牲了成本優(yōu)勢，也未能獲得令人滿意的變化。討論在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、LED封裝及熱沉材料熱導(dǎo)率等因素變化對于其最大功率的影響，尋找影響LED散熱的關(guān)鍵因素。研究方法為有限元熱分析法．該方法已有實驗驗證了LED有限元模型與其真實器件之間的差別，證明其在誤差許可范圍內(nèi)是準(zhǔn)確可行的。2．2幾何模型的建立圖1為依據(jù)常見1w大功率LED尺寸建立并簡化、海鷗翼封裝鋁熱沉的大功率LED圖形，底座接在MCPCB鋁基板上。主要數(shù)據(jù)：芯片尺寸為1mm×1mm×O.25mm，透鏡為直徑是13mm的半球。硅襯底為邊長17mm，高0.25mm的正六棱柱，MCPCB為直徑20mm，高1.75mm的六角星形鋁質(zhì)基板。圖1大功率LED的PRO/E模型及其各部分構(gòu)成2．3有限元模型的建立模型采用ANSYSl0.0計算，為方便分析，假設(shè)模型：LED輸入功率為1W，光效率取10％；封裝體外部的各組件(包括MCPCB、陶瓷封裝、熱沉的外部)通過與空氣的對流散熱；器件與外界的熱對流系數(shù)為20。工作環(huán)境溫度為25℃；器件滿足使用ANSYS軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)有限元熱分析的條件；最大結(jié)溫選擇為125℃。各種材料的參數(shù)如表1所示。3分析各種因素對于散熱能力的影響3.1熱輻射系數(shù)對LED散熱的影響圖2為表面黑度為0.8時的溫度云圖。根據(jù)斯蒂芬-玻耳茲曼定律，輻照度E與溫度T之間的關(guān)系：E=εσT4。其中ε為黑體的輻射系數(shù)；σ=5.67×10-8w／(m2·k4)，稱為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)。因此可知，溫度越高，輻照度越大。當(dāng)輸入功率為1W時，經(jīng)由表面輻射散出的熱能為7.63×10－4W，僅占總熱功率的1.63‰；功率達(dá)到2W時，經(jīng)輻射散出的熱能也僅占6.33‰。因此改變熱輻射系數(shù)對于提高散熱能力改善成效不大，散熱的關(guān)鍵在于提高另外兩種散熱方式：熱傳遞和熱對流。3．2熱導(dǎo)率對LED的散熱的影響

只考慮熱傳導(dǎo)，改變不同封裝填充材料如硅樹脂．得出結(jié)果，如圖3所示。即使找到一種熱導(dǎo)率高達(dá)7W/m.K的環(huán)氧樹脂成分封裝材料時，相比使用熱導(dǎo)率為0.25W/m.K的環(huán)氧樹脂成分封裝材料時，芯片溫度下降不多，鋁基板溫度只下降了2.271℃，最大功率僅提高了0.69W。實際上，熱導(dǎo)率值超過7W/m.K以上、可商業(yè)化的透明硅樹脂封裝材料目前尚無文獻(xiàn)報導(dǎo)。溫度分布云圖如圖4所示。表2給出透鏡熱導(dǎo)率為0.2W/m.K時，不同熱沉材料的導(dǎo)熱系數(shù)對于LED最大功率影響。由表2看出，熱沉材料對于LED的最大散熱能力的影響很小。綜上所述，熱導(dǎo)率變化對LED最大功率影響微弱。3．3增加散熱面積對LED散熱的影響表3為3種不同散熱方式對LED的溫度分布、最大功率的影響?？梢钥闯?，增加散熱面積是很好的散熱方式，可以輕易地提高LED器件散熱能力，這是目前LED產(chǎn)品所普遍使用的散熱方式之一。然而缺點也很明顯：影響成本、增加產(chǎn)品重量、影響封裝密度。無限度地提高LED散熱片面積顯然不現(xiàn)實，因此一般使用1.5inch2散熱片提升LED產(chǎn)品最大功率至10W左右，出于成本等因素就不能繼續(xù)提高。3．4對流方式對LED散熱的影響常見對流散熱方式有兩種：自然對流和強制對流。固定結(jié)構(gòu)的散熱與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有關(guān)?？绽浞绞綍r，不同傳熱系數(shù)對最大功率的影響如圖5所示。強對流方式在一定速度內(nèi)會大大提高LED產(chǎn)品的散熱能力,有助于提高散熱效果。綜上所述，無論是增加散熱面積還是增加對流速度都不能無限制地提高散熱能力，其原因在于：當(dāng)散熱結(jié)構(gòu)、方式固定后，即使LED導(dǎo)熱率有所上升，也無法真正大幅度降低芯片溫度；事實證明增加散熱面積，可以促進(jìn)散熱。但由于成本限制，且不可能無限制地增加散熱面積，因此，要提升LED產(chǎn)品的散熱能力，關(guān)鍵要在最大努力增加散熱面積時，尋找一種可以快速將上表面熱量帶走的散熱方式。大功率LED的熱量分析與設(shè)計1大功率LED熱阻的計算1.熱阻是指熱量傳遞通道上兩個參點之間的溫度差與兩點間熱量傳輸速率的比值：

Rth＝△T/PD（1）其中：Rth=兩點間的熱阻（℃/W或K/W），ΔT=兩點間的溫度差（℃），PD=兩點間熱量傳遞速率（W）。2.熱傳導(dǎo)模型的熱阻計算（2）其中：L為熱傳導(dǎo)距離（m），S為熱傳導(dǎo)通道的截面積（m2），λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/m.K）。越短的熱傳導(dǎo)距離、越大的截面積和越高的熱傳導(dǎo)系數(shù)對熱阻的降低越有利，這要求設(shè)計合理的封裝結(jié)構(gòu)和選擇合適的材料。設(shè)定晶片上P-N結(jié)點生成的熱沿著以下簡化的熱路徑傳導(dǎo)：結(jié)點→熱沉→鋁基散熱電路板→空氣/環(huán)境（見圖1），則熱路徑的簡化模型就是串聯(lián)熱阻回路，如圖2表示.P-N結(jié)點到環(huán)境的總熱阻：

Rthja=Rthjs+Rthsb+Rthba圖2中所示散熱路徑中每個熱阻抗所對應(yīng)的元件介于各個溫度節(jié)點之間.其中：Rthjs(結(jié)點到熱沉)＝晶片半導(dǎo)體有源層及襯底、粘結(jié)襯底與熱沉材料的熱阻；Rthsb(熱沉到散熱電路板)＝熱沉、連結(jié)熱沉與散熱電路板材料的熱阻；Rthba（散熱電路板到空氣/環(huán)境）＝散熱電路板、表面接觸或介于降溫裝置和電路板之間的粘膠和降溫裝置到環(huán)境空氣的組合熱阻。根據(jù)公式（2），如果知道了個材料的尺寸及其熱傳導(dǎo)系數(shù)，可以求出以上各熱阻，進(jìn)而求得總熱阻Rthja。以下是幾種常見的1W大功率LED的熱阻計算：以Emitter(1mm×1mm晶片)為例，只考慮主導(dǎo)熱通道的影響，從理論上計算P-N結(jié)點到熱沉的熱阻Rthjs。A、正裝晶片/共晶固晶B、正裝晶片/銀膠固晶C、si襯底金球倒裝焊晶片/銀膠固晶（見

圖3所示）圖3倒裝焊晶片/銀膠固晶大功率LED剖面圖計算舉例1采用了NICHIA公司的測量TC的實例中取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計算舉例。已知條件如下：LED：3W白光LED、型號MCCW022、RJC=16℃/W。K型熱電偶點溫度計測量頭焊在散熱墊上。PCB試驗板：雙層敷銅板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面銅層面積1180mm2背面銅層面積1600mm2。LED工作狀態(tài)：IF=500mA、VF=3.97V。用K型熱電偶點溫度計測TC，TC=71℃。測試時環(huán)境溫度TA=25℃.

則

（1）該LED結(jié)溫為多少？

（2）總熱阻為多少？1.TJ計算TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TCTJ=16℃/W（500mA×3.97V）+71℃=103℃2.RCA計算RCA=（TC－TA）/PD=（71℃－25℃）/1.99W=23.1℃/W3.RJA計算RJA=RJC+RCA=16℃/W+23.1℃/W=39.1℃/W如果設(shè)計的TJmax=90℃，則按上述條件計算出來的TJ不能滿足設(shè)計要求，