LED燈珠散熱計(jì)算方法及公式

LED的熱量管理ThermalManagementConsiderationsforLEDs

2/4/20231LED是冷光源嗎？一、熱對(duì)LED的影響（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(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%）因無效復(fù)合而轉(zhuǎn)化為熱。

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

2/4/202322.熱對(duì)LED性能和結(jié)構(gòu)的影響

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-Tj1k=溫度系數(shù)

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(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Фv（Tj2）=Фv（Tj1）e-kΔTj2/4/20233AlInGaP類LED光輸出與結(jié)溫關(guān)系圖相對(duì)光輸出Tj（℃）橙紅色黃色紅色I(xiàn)nGaN類LED光輸出與結(jié)溫關(guān)系圖相對(duì)光輸出綠色藍(lán)綠色藍(lán)色白色深藍(lán)色Tj（℃）2/4/20234②光通量與環(huán)境溫度的關(guān)系

Ta（℃）相對(duì)光通量橙紅色黃色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。

2/4/20235(2)波長(zhǎng)與結(jié)溫Tj的關(guān)系

λd（Tj2）=λd（Tj1）+kΔTj白光LED色溫—結(jié)溫飄移曲線Tj（℃）CCT(K)白色k=Δλ/ΔTj:LED波長(zhǎng)-結(jié)溫飄移率2/4/20236(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/℃.

2/4/20237(4)熱對(duì)發(fā)光效率ηv的影響

在輸入功率一定時(shí)：熱量↑結(jié)溫Tj↑正向壓降Vf↓電流If↑熱量發(fā)光效率ηv

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)。

2/4/20238(6)熱對(duì)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(shù)隨溫度變化曲線

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。

2/4/20239(7)熱對(duì)LED壽命的影響

不同溫度下AlInGaPPowerLED老化測(cè)試結(jié)果測(cè)試時(shí)間（小時(shí)）相對(duì)光輸出實(shí)際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)不同溫度下InGaNPowerLED老化測(cè)試結(jié)果實(shí)際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)間（小時(shí)）相對(duì)光輸出12/4/202310二、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。

2/4/202311三、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。

其中：Rth=兩點(diǎn)間的熱阻（℃/W或K/W）ΔT=兩點(diǎn)間的溫度差（℃）

qx=兩點(diǎn)間熱量傳遞速率（W）

熱傳導(dǎo)模型的熱阻計(jì)算其中：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/mK）ST2T1L2/4/202312LED的熱阻計(jì)算

(LED工作熱平衡后Tj=Ta+ΔTj)

2/4/2023132.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。

jabsRthjsRthsbRthbajsbRthja=Rthjs+Rthsb+Rthba

2/4/202314TjTsRthjsRthsb3.集成LED陣列熱阻的計(jì)算模型TbTaRthba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：

2/4/2023154.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。

2/4/202316A.正裝芯片/銀膠固晶

B.正裝芯片/共晶固晶

2/4/202317C.

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

2/4/202318F.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

2/4/202319從以上計(jì)算可見：①固晶工藝對(duì)LED熱阻有較大影響；②倒裝芯片在導(dǎo)熱上比正裝芯片稍優(yōu)；③正裝芯片/共晶固晶在導(dǎo)熱上并不比倒裝芯片差；④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。

2/4/2023205.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相對(duì)光通量輸入電流（mA）熱阻值越大，光輸出越容易飽和，飽和電流點(diǎn)越低。

2/4/202321四、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。

ΔVf=kΔTj

（K：正向壓降隨溫度變化的系數(shù)）

只要監(jiān)測(cè)LED正向壓降Vf的改變，便可以確定其熱阻。

2/4/2023222.電壓法測(cè)量LED熱阻（1）測(cè)量LED溫度系數(shù)k

①將LED置于溫度為Ta

的恒溫箱中足夠時(shí)間至熱平衡，Tj1=

Ta

；②用低電流（可以忽略其產(chǎn)生的熱量對(duì)LED的影響）If’=1mA,快速點(diǎn)測(cè)LED的Vf1；③將LED置于溫度為Ta’(Ta’>Ta)的恒溫箱中足夠時(shí)間至熱平衡，Tj2=

Ta’；④重復(fù)步驟②，測(cè)得Vf2；⑤2/4/202323（2）測(cè)量LED在輸入電功率加熱狀態(tài)下的Vf變化

①將LED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；③測(cè)量LED熱沉溫度Ts(取最高點(diǎn))；④切斷輸入電功率的電源，立即（<10ms）進(jìn)行（1）之②步驟，測(cè)量Vf3。2/4/202324（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波長(zhǎng)漂移法測(cè)量熱阻，但難度較電壓法稍大。

2/4/202325五、LED的結(jié)溫Tj

1.常用的結(jié)溫測(cè)算方法

LED的結(jié)溫TJ無法直接測(cè)量，只能通過間接的方式進(jìn)行測(cè)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(duì)應(yīng)出Tj。

（2）熱阻測(cè)量法Tj=Ta+RthjaPd

2/4/2023262.LED的最大額定結(jié)溫Tjmax：（常見大功率LED的最大額定結(jié)溫：120℃；LuxeonK2：185℃）（1）應(yīng)用中的環(huán)境溫度Ta應(yīng)低于最大環(huán)境溫度Tamax

Tamax=Tjmax-RthjaPd（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：

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。2/4/202327Ta（℃）Ifmax(mA)AlInGaP類大功率LEDInGaN類大功率LEDIfmax(mA)Ifmax(mA)Ta（℃）Ta（℃）電流降級(jí)曲線小功率LED2/4/2023283.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。2/4/202329六、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)

（2）通道材料——導(dǎo)熱系數(shù)λ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。

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。

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2/4/202330七、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)①取得正確的LED熱阻值Rthjs或Rthjb；②評(píng)估LED工作時(shí)可能遭遇的最高環(huán)境溫度Tamax；③為使LED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；④確定不超出額定功率的最大輸入功率Pdmax；

⑤

⑥計(jì)算二次散熱機(jī)構(gòu)容許的最大熱阻Rthsa=Rthja-Rthjs

,Rthba=Rth