LED照明散热与分析2

LED照明散热与分析2代福Ioe_daif@126.com大功率LED热分析大功率LED热设计上节课知识回顾LED结温LED的基本结构是一个半导体P-N结。当电流流过LED元件时，P-N结的温度将上升。严格意义上说，P-N结区的温度即为LED的结温。通常，元件芯片的尺寸很小，因此，我们也把LED芯片的温度视之为结温。结温对LED性能的影响1、发光效率－温度上升，光效降低。2、主波长－温度上升，蓝光向短波长漂移，其它颜色向长波长的漂移(红移)。3、相关色温(CCT)－温度上升，白光的相关色温升高，其它颜色的相关色温降低。4、正向电压－温度上升，正向电压降低。5、反向电流－温度上升，反向电流增大。6、热应力－温度上升，热应力增大。7、器件的使用寿命－温度上升，器件的使用寿命减短。8、如果LED封装有荧光粉，环氧树脂等，温度的上升还将导致这些材料发生劣化。降低LED结温的途径有哪些？A、减少LED本身的热阻；B、良好的二次散热机构；C、减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻；D、控制额定输入功率;E、降低环境温度

LED热阻当正向电流从PN结流过时，PN结有发热损耗，这些热量通过黏结胶、灌封材料、热沉等，辐射到空气中。在这个过程中，每一种材料都有阻止热量流过的热阻抗，即热阻。定义：在热平衡条件下，热阻为两规定点（或区域）温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比。热阻是由器件的尺寸、结构及材料所决定的固定值。用Rth(℃/W)表示。热耗散功率用PD(W)表示，大小为学会分析热阻构成Rth=RJS+RSB+RBA大功率LED热分析一、热量传递的三种基本方式

热量传递共有三种基本方式：热传导（HeatConduction）；热对流（Heatonvection）；热辐射（HeatRadiation）。⒈热传导是指一个物体各部分之间或各物体之间存在温差且无相对宏观运动时发生的热量传递现象。导热是物质的固有本质，无论是气体、液体还是固体，都具有导热的本领。热传导过程中传递的热量按照Fourier导热定律计算：其中：A为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2;Th与Tc分别为高温与低温面的温度，δ为两个面之间的距离，单位为m。λ为材料的导热系数，单位为W/(m*℃），表示了该材料导热能力的大小。一般说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气体。例如常温下纯铜的导热系数高达400W/(m*℃），纯铝的导热系数为236W/(m*℃），水的导热系数为0.6W/(m*℃），而空气仅0.025W/(m*℃）左右。铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工，但在一些大功率芯片散热中，为了提升散热性能，常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。大功率LED管芯通过良好的导热材料粘接于基板上，基板下面通常会连接良好散热的热沉，热量通过导热材料传到基板上释放出去。2、热对流与对流换热对流换热是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时与固体表面之间发生的热量交换过程。根据流动的起因不同，对流换热可以分为强制对流换热和自然对流换热两类。前者是由于泵、风机或其他外部动力源所造成的，而后者通常是由于流体自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。机柜中通常采用的风扇冷却散热就是最典型的强制对流换热。在终端产品中主要是自然对流换热。自然对流散热分为大空间自然对流（例如终端外壳和外界空气间的换热）和有限空间自然对流（例如终端内的单板和终端内的空气）。值得注意的是，当终端外壳与单板的距离小于一定值时，就无法形成自然对流，例如手机的单板与外壳之间就只是以空气为介质的热传导。对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算：其中：A为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2;Tw与Tf分别为固体壁面与流体的温度，h是对流换热系数，自然对流时换热系数在1～10W/(℃*m2)量级，实际应用时一般不会超过3～5W/(℃*m2)；强制对流时换热系数在10～100W/(℃*m2)量级，实际应用时一般不会超过30W/(℃*m2）。3热辐射当物质微观粒子(原子)内部的电子受激和振动时，将产生交替变化的电场和磁场，所发出电磁波向空间传播，即为热辐射。从物理本质上讲，热辐射(thermalradiation)和其他所有各种辐射一样，都是电磁波。它们之间的内在区别是导致发射电磁波的激励方式不同，而外在表现是发射的波长不一样，以及吸收该电磁波之后所引起的效应不同。热辐射的特点与导热及对流有着显著的不同之处。基本规律：黑体辐射的斯蒂藩—玻耳兹曼定律式中：E为辐照度，ε为黑体的辐射系数，σ=5.67✕10-8W/(m2.k4)为斯蒂藩—玻耳兹曼常数。物体表面之间的热辐射计算是极为复杂的，其中最简单的两个面积相同且正对着的表面间的辐射换热量计算公式为：Q＝A✕5.67✕10-8/(1/εh+1/εc-1)✕(Th4-Tc4)式中T指的是物体的绝对温度值＝摄氏温度值＋273.15；ε是表面的黑度或发射率，该值取决于物质种类，表面温度和表面状况，与外界条件无关，也与颜色无关。磨光的铝表面的黑度为0.04,氧化的铝表面的黑度为0.3，油漆表面的黑度达到0.8，雪的黑度为0.8。由于辐射换热不是线性关系，当环境温度升高时，终端的温度与环境的相同温差条件下会散去更多的热量。塑料外壳表面喷漆，PCB表面会涂敷绿油，表面黑度都可以达到0.8，这些都有利于辐射散热。对于金属外壳，可以进行一些表面处理来提高黑度，强化散热。对辐射散热一个最大错误认识是认为黑色可以强化热辐射，通常散热器表面黑色处理也助长了这种认识。实际上物体温度低于1800℃时,有意义的热辐射波长位于0.38~100μm之间，且大部分能量位于红外波段0.76~20μm范围内，在可见光波段内，热辐射能量比重并不大。颜色只与可见光吸收相关，与红外辐射无关，夏天人们穿浅色的衣服降低太阳光中的可见光辐射吸收。因此终端内部可以随意涂敷各种颜色的漆。三种热量传递方式并不是单独出现，在传热过程中三种热量传递方式常常联合起作用。改善大功率LED散热的关键问题

目前，很多功率型LED的驱动电流达到70mA、100mA甚至1A，这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。业内已经对大功率LED的散热问题作出了很多的努力：通过对芯片外延结构优化设计，使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格振荡，从根本上减少散热组件负荷；通过优化封装结构、材料，选择以铝基为主的金属芯印刷电路板(MCPCB)，使用陶瓷、复合金属基板等方法，加快热量从外延层向散热基板散发。

多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片，依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。尽管如此，单个LED产品目前也仅处于1～10W级的水平，散热能力仍亟待提高。

相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料，然而当LED功率达到10W以上时，这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对流方式，牺牲了成本优势，也未能获得令人满意的变化。讨论在现有结构、LED封装及热沉材料热导率等因素变化对于其最大功率的影响，寻找影响LED散热的关键因素。研究方法为有限元热分析法．该方法已有实验验证了LED有限元模型与其真实器件之间的差别，证明其在误差许可范围内是准确可行的。2．2几何模型的建立图1为依据常见1w大功率LED尺寸建立并简化、海鸥翼封装铝热沉的大功率LED图形，底座接在MCPCB铝基板上。主要数据：芯片尺寸为1mm×1mm×O.25mm，透镜为直径是13mm的半球。硅衬底为边长17mm，高0.25mm的正六棱柱，MCPCB为直径20mm，高1.75mm的六角星形铝质基板。图1大功率LED的PRO/E模型及其各部分构成2．3有限元模型的建立模型采用ANSYSl0.0计算，为方便分析，假设模型：LED输入功率为1W，光效率取10％；封装体外部的各组件(包括MCPCB、陶瓷封装、热沉的外部)通过与空气的对流散热；器件与外界的热对流系数为20。工作环境温度为25℃；器件满足使用ANSYS软件进行稳态有限元热分析的条件；最大结温选择为125℃。各种材料的参数如表1所示。3分析各种因素对于散热能力的影响3.1热辐射系数对LED散热的影响图2为表面黑度为0.8时的温度云图。根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，辐照度E与温度T之间的关系：E=εσT4。其中ε为黑体的辐射系数；σ=5.67×10-8w／(m2·k4)，称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。因此可知，温度越高，辐照度越大。当输入功率为1W时，经由表面辐射散出的热能为7.63×10－4W，仅占总热功率的1.63‰；功率达到2W时，经辐射散出的热能也仅占6.33‰。因此改变热辐射系数对于提高散热能力改善成效不大，散热的关键在于提高另外两种散热方式：热传递和热对流。3．2热导率对LED的散热的影响

只考虑热传导，改变不同封装填充材料如硅树脂．得出结果，如图3所示。即使找到一种热导率高达7W/m.K的环氧树脂成分封装材料时，相比使用热导率为0.25W/m.K的环氧树脂成分封装材料时，芯片温度下降不多，铝基板温度只下降了2.271℃，最大功率仅提高了0.69W。实际上，热导率值超过7W/m.K以上、可商业化的透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导。温度分布云图如图4所示。表2给出透镜热导率为0.2W/m.K时，不同热沉材料的导热系数对于LED最大功率影响。由表2看出，热沉材料对于LED的最大散热能力的影响很小。综上所述，热导率变化对LED最大功率影响微弱。3．3增加散热面积对LED散热的影响表3为3种不同散热方式对LED的温度分布、最大功率的影响。可以看出，增加散热面积是很好的散热方式，可以轻易地提高LED器件散热能力，这是目前LED产品所普遍使用的散热方式之一。然而缺点也很明显：影响成本、增加产品重量、影响封装密度。无限度地提高LED散热片面积显然不现实，因此一般使用1.5inch2散热片提升LED产品最大功率至10W左右，出于成本等因素就不能继续提高。3．4对流方式对LED散热的影响常见对流散热方式有两种：自然对流和强制对流。固定结构的散热与表面传热系数有关。空冷方式时，不同传热系数对最大功率的影响如图5所示。强对流方式在一定速度内会大大提高LED产品的散热能力,有助于提高散热效果。综上所述，无论是增加散热面积还是增加对流速度都不能无限制地提高散热能力，其原因在于：当散热结构、方式固定后，即使LED导热率有所上升，也无法真正大幅度降低芯片温度；事实证明增加散热面积，可以促进散热。但由于成本限制，且不可能无限制地增加散热面积，因此，要提升LED产品的散热能力，关键要在最大努力增加散热面积时，寻找一种可以快速将上表面热量带走的散热方式。大功率LED的热量分析与设计1大功率LED热阻的计算1.热阻是指热量传递通道上两个参点之间的温度差与两点间热量传输速率的比值：

Rth＝△T/PD（1）其中：Rth=两点间的热阻（℃/W或K/W），ΔT=两点间的温度差（℃），PD=两点间热量传递速率（W）。2.热传导模型的热阻计算（2）其中：L为热传导距离（m），S为热传导通道的截面积（m2），λ为热传导系数（W/m.K）。越短的热传导距离、越大的截面积和越高的热传导系数对热阻的降低越有利，这要求设计合理的封装结构和选择合适的材料。设定晶片上P-N结点生成的热沿着以下简化的热路径传导：结点→热沉→铝基散热电路板→空气/环境（见图1），则热路径的简化模型就是串联热阻回路，如图2表示.P-N结点到环境的总热阻：

Rthja=Rthjs+Rthsb+Rthba图2中所示散热路径中每个热阻抗所对应的元件介于各个温度节点之间.其中：Rthjs(结点到热沉)＝晶片半导体有源层及衬底、粘结衬底与热沉材料的热阻；Rthsb(热沉到散热电路板)＝热沉、连结热沉与散热电路板材料的热阻；Rthba（散热电路板到空气/环境）＝散热电路板、表面接触或介于降温装置和电路板之间的粘胶和降温装置到环境空气的组合热阻。根据公式（2），如果知道了个材料的尺寸及其热传导系数，可以求出以上各热阻，进而求得总热阻Rthja。以下是几种常见的1W大功率LED的热阻计算：以Emitter(1mm×1mm晶片)为例，只考虑主导热通道的影响，从理论上计算P-N结点到热沉的热阻Rthjs。A、正装晶片/共晶固晶B、正装晶片/银胶固晶C、si衬底金球倒装焊晶片/银胶固晶（见

图3所示）图3倒装焊晶片/银胶固晶大功率LED剖面图计算举例1采用了NICHIA公司的测量TC的实例中取部分数据作为计算举例。已知条件如下：LED：3W白光LED、型号MCCW022、RJC=16℃/W。K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。PCB试验板：双层敷铜板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积1600mm2。LED工作状态：IF=500mA、VF=3.97V。用K型热电偶点温度计测TC，TC=71℃。测试时环境温度TA=25℃.

则

（1）该LED结温为多少？

（2）总热阻为多少？1.TJ计算TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TCTJ=16℃/W（500mA×3.97V）+71℃=103℃2.RCA计算RCA=（TC－TA）/PD=（71℃－25℃）/1.99W=23.1℃/W3.RJA计算RJA=RJC+RCA=16℃/W+23.1℃/W=39.1℃/W如果设计的TJmax=90℃，则按上述条件计算出来的TJ不能满足设计要求，