五邑大學 LED照明散熱與分析.ppt

1、LED照明散熱與分析,代 福 ioe_,結溫 結溫對LED性能的影響 LED熱阻及計算,LED的全稱Light Emitting Diode,即發(fā)光二極管，是一種半導體固體發(fā)光器件，它是利用固體半導體芯片作為發(fā)光材料，當兩端加上正向電壓，半導體中的載流子發(fā)生復合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。LED可以直接發(fā)出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。,什么是LED,LED發(fā)光原理,其發(fā)光過程包括三部分：正向偏壓下 的載流子注入、復合輻射和光能傳輸。 微小的半導體晶片被封裝在潔凈的環(huán) 氧樹脂物中，當電子經(jīng)過該晶片時， 帶負電的電子移動到帶正電的空穴區(qū) 域并與之復合，電子和空穴消失的同 時產(chǎn)生光子。電子和空穴

2、之間的能量 （帶隙）越大，產(chǎn)生的光子的能量就 越高。光子的能量反過來與光的顏色 對應，可見光的頻譜范圍內，藍色光、 紫色光攜帶的能量最多，桔色光、紅 色光攜帶的能量最少。由于不同的材 料具有不同的帶隙，從而能夠發(fā)出不 同顏色的光。,本征半導體,N型半導體 （摻雜5價元素）,如果在硅或鍺等半導體材料中加入微量的磷、銻、砷等五價元素，就變成以電子導電為主的半導體，即N型半導體。在N型半導體中，電子(帶負電)叫多數(shù)載流子;空穴(帶正電)叫少數(shù)載流子 。,如果在硅或鍺等半導體材料中加入微量的硼、銦、鎵或鋁等三價元素，就變成以空穴導電為主的半導體，即P型半導體。在P型半導體中，空穴(帶正電)叫多數(shù)載流子

3、;電子(帶負電)叫少數(shù)載流子。,P型半導體 （摻雜3價元素）,LED芯片結構圖,大功率LED的散熱問題,LED是個光電器件，其工作過程中只有25%40%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個大問題。 例如，1個10W白光LED若其光電轉換效率為30%，則有7W的電能轉換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會急速上升，當其結溫（TJ）上升超過最大允許溫度時（一般是150），大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設計中，最主要的設計工作就是散熱設計。,LED結溫,LED的基本結構是一個半導體P-N結。當電流流過LED元件

4、時，P-N結的溫度將上升。嚴格意義上說，P-N結區(qū)的溫度即為LED的結溫。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溫。,產(chǎn)生LED結溫的原因,a、元件不良的電極結構，視窗層襯底或結區(qū)的材料以及導電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加，構成LED元件的串聯(lián)電阻。當電流流過PN結時，同時也會流過這些電阻，從而產(chǎn)生焦耳熱，引致芯片溫度或結溫的升高。,b、由于PN結不可能極端完美，元件的注入效率不會達到100，也即是說，在LED工作時除P區(qū)向N區(qū)注入電荷(空穴)外，N區(qū)也會向P區(qū)注入電荷 (電子)，一般情況下，后一類的電荷注入不會產(chǎn)生光電效應，而以發(fā)熱的形式消耗掉了。即使

5、有用的那部分注入電荷，也不會全部變成光，有一部分與結區(qū)的雜質或缺陷相結合，最終也會變成熱。,c、實踐證明，出光效率的限制是導致LED結溫升高的主要原因。目前，先進的材料生長與元件制造工藝已能使LED極大多數(shù)輸入電能轉換成光輻射能，然而由于LED芯片材料與周圍介質相比，具有大得多的折射系數(shù)，致使芯片內部產(chǎn)生的極大部分光子(90)無法順利地溢出介面，而在芯片與介質介面產(chǎn)生全反射，返回芯片內部并通過多次內部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動的形式變成熱，促使結溫升高。,d、顯然，LED元件的熱散失能力是決定結溫高低的又一個關鍵條件。散熱能力強時，結溫下降，反之，散熱能力差時結溫將上升。由于環(huán)

6、氧膠是低熱導材料，因此PN結處產(chǎn)生的熱量很難通過透明環(huán)氧向上散發(fā)到環(huán)境中去，大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層， PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然，相關材料的導熱能力將直接影響元件的熱散失效率。一個普通型的LED，從PN結區(qū)到環(huán)境溫度的總熱阻在300到 600w之間，對于一個具有良好結構的功率型LED元件，其總熱阻約為15到30 w。巨大的熱阻差異表明普通型LED元件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦級甚至更高。,LED的輸入功率是元件熱效應的唯一來源，能量的一部分變成了輻射光能，其余部分最終均變成了熱，從而抬升了元件的溫度。顯然，減小LED溫升效應的

7、主要方法， 一是設法提高元件的電光轉換效率（又稱外量子效率），使盡可能多的輸入功率轉變成光能， 另一個重要的途徑是設法提高元件的熱散失能力，使結溫產(chǎn)生的熱，通過各種途徑散發(fā)到周圍環(huán)境中去。,1、結溫對LED性能的影響,K2系列的內部結構,結溫：當LED發(fā)光時的PN結的溫度,1.1 結溫對光通量的影響,當LED的結溫升高時，器件的輸出光強度將逐漸減??；而當結溫下降時，光輸出強度將增大，一般情況下，這種變化是可逆和可恢復的。當溫度回到原來的值，光強也會恢復到原來的狀態(tài)。 結溫對光輸出影響的數(shù)學表達式為：,表示結溫T2的光通量輸出,表示結溫T1的光通量輸出,K為溫度系數(shù)，一般情況下，K值由實驗測定，

8、K值越大，器件的出光通量隨溫度的增加衰減得越快。,對于InGaN系列LED，出光通量隨溫度的變化遠小于InGaAlP LED,1.2 高溫下器件性能的衰變,高溫下，LED的光輸出特性除了發(fā)生可恢復性的衰變以外，還將隨時間產(chǎn)生一種不可恢復的永久性的衰變。為了確保LED正常工作，讓LED的結溫低于某一確定的值（Tj）是十分必要的。,永久性衰變的原因: (1) 材料內缺陷的增殖。 芯片的生長采用MOCVD技術在GaAs、藍寶石襯底等外延生長InGaAlP或InGaN等材料，外延層之間存在著或多或少的晶格失配，從而在界面上形成大量的諸如位錯等結構缺陷，在較高溫度時，這些位錯會快速增殖、繁衍，直至侵入發(fā)

9、光區(qū)，形成大量的非輻射復合中心，嚴重影響器件的注入效率與發(fā)光效率。,（2）環(huán)氧樹脂變性 封裝LED用的環(huán)氧樹脂存在一個重要特性，當溫度超過一特定溫度時（Tg=125度），環(huán)氧樹脂將從一種剛性的類似玻璃狀態(tài)轉變?yōu)橐环N柔性的類似橡膠狀的物質。此時材料的膨脹系數(shù)急劇增加，形成一個明顯的拐點，致使芯片電極與引線收到額外的壓力，而發(fā)生過度疲勞乃至脫落損壞。另外環(huán)氧樹脂處于較高溫度時（小于Tg)與芯片臨近的部分會逐漸變性、發(fā)黃，從而影響環(huán)氧樹脂的透光性能。,1.3結溫對發(fā)光波長的影響,LED發(fā)光波長一般可分成峰值波長與主波長兩類。 峰值波長：光強最大的波長 主波長：由X、Y色坐標決定，反應人眼所感知的顏色

10、。 對于LED器件，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度直接決定了器件發(fā)光的波長或顏色。 InGaAlP與InGaN材料屬三-五族化合物半導體，其性質與GaAs相仿，當溫度升高時，材料的禁帶寬度將減小，導致器件發(fā)光波長變長，顏色產(chǎn)生紅移。,結溫對發(fā)光波長影響的數(shù)學表達式為：,表示結溫T2時的波長,表示結溫T1時的波長,K表示波長隨溫度變化的系數(shù),人眼對不同波長的顏色感知靈敏度存在很大的差異。 對藍、綠、黃器件，一般來說，25nm的波長變化人眼就可以感覺到。 對紅光來說，人眼的感覺要相對遲鈍些，但也能感覺到15nm的波長變化。,人眼視覺效率曲線,1.4 結溫對LED正向電壓的影響,在小電流近似下，LED的正向壓

11、降為：,式中，VF為正向電壓，IF為正向電流，I0為反向飽和電流，q為電子電荷，k為波耳茲曼常數(shù)，Rs為串聯(lián)電阻，n為表征PN結完美性的一個參量，處在12之間。,上式中，只是反向飽和電流I0與溫度密切相關， I0值隨結溫的升高而增大，導致正向電壓VF值下降。,LED伏安特性,u,i,0,當溫度較高時，由于結區(qū)缺陷與雜質的大量增殖與聚集，也將造成額外復合電流的增加，而使正向電壓下降。 在恒壓條件下，由于溫升效應使正向電壓下降與正向電流增加，形成惡性循環(huán)，最終將導致器件損壞。 因此，恒流是LED工作的較好模式。,1.5結溫對LED使用壽命的影響,Life=106 e-0.08Thour,在散熱設計

12、中要提出最大允許結溫值TJmax,實際的結溫值TJ應小于或等于要求的TJmax,即TJTJmax,2 LED熱阻,當正向電流從PN結流過時，PN結有發(fā)熱損耗，這些熱量通過黏結膠、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，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、結構及材料所決定的固定值。用Rth(/W)表示。 熱耗散功率為PD(W)表示。 由電流的熱損耗而引起的PN結溫升為： T()=RthPD,式中：Tj、Ta分別為對應LED器件PN結和器件周圍的環(huán)境溫度。Rth為LED器件PN結

13、到環(huán)境溫度之間的熱阻；PD為器件的熱耗散功率，約等于器件的電輸入功率。PD=VFIF,PN結結溫為： Tj=Ta+RthPD,熱阻的計算,例：倒裝型大功率白光LED表面貼裝到金屬線路板上。其熱阻為 RejA= RejC+ ReCA,穩(wěn)態(tài)時LED熱阻等效連接圖,圖中RejC為器件的內部熱阻；ReCA為器件的外部熱阻；ReDic為倒裝芯片的熱阻；ReAttach為硅襯底黏結焊料熱阻；REhc器件內部熱沉的熱阻；ReCB器件內部熱沉與金屬線路板之間的接觸熱阻；ReBoard為金屬線路板的熱阻；ReBA為金屬線路板至環(huán)境溫度之間的熱阻。,類似于電學中的電阻特性，熱阻也存在相同的運算法則，當n個LED安

14、裝在同一塊基板上時，Tj、TC、TB分別表示某個 LED的PN結結溫、外殼的溫度、基板的溫度。 Rth-A、 Rth-B、 Rth-C分別代表PN結與外殼、外殼與基板、基板與環(huán)境之間的熱阻，那么該LED陣列的總熱阻可表示為： Rth=Rth-A+ Rth-B+ Rth-C （陣列中所有LED具有完全相同的參數(shù)）,知道了器件總的熱阻，則LED結溫即可求出,式中，Tj為器件的PN結溫，Ta為環(huán)境溫度， 為器件的熱耗散功率，Rth為器件PN結與環(huán)境之間的熱阻。,顯然，LED的熱阻將嚴重影響器件的使用條件與性能，當熱阻較小時，光通量幾乎與正向電流成正比，當熱阻較大時，由于PN結溫的上升，當正向電流加大到某個值時，光通量將趨于飽和，并隨之逐漸下降。對于一個LED，設法降低PN結與環(huán)境之間的熱阻是提高器件散熱能力的根本途徑。,降低熱阻的方法 首先，用于LED的各熱阻