五邑大学 LED照明散热与分析.ppt

1、LED照明散热与分析,代 福 ioe_,结温 结温对LED性能的影响 LED热阻及计算,LED的全称Light Emitting Diode,即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。,什么是LED,LED发光原理,其发光过程包括三部分：正向偏压下 的载流子注入、复合辐射和光能传输。 微小的半导体晶片被封装在洁净的环 氧树脂物中，当电子经过该晶片时， 带负电的电子移动到带正电的空穴区 域并与之复合，电子和空穴消失的同 时产生光子。电子和空穴

2、之间的能量 （带隙）越大，产生的光子的能量就 越高。光子的能量反过来与光的颜色 对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、 紫色光携带的能量最多，桔色光、红 色光携带的能量最少。由于不同的材 料具有不同的带隙，从而能够发出不 同颜色的光。,本征半导体,N型半导体 （掺杂5价元素）,如果在硅或锗等半导体材料中加入微量的磷、锑、砷等五价元素，就变成以电子导电为主的半导体，即N型半导体。在N型半导体中，电子(带负电)叫多数载流子;空穴(带正电)叫少数载流子 。,如果在硅或锗等半导体材料中加入微量的硼、铟、镓或铝等三价元素，就变成以空穴导电为主的半导体，即P型半导体。在P型半导体中，空穴(带正电)叫多数载流子

3、;电子(带负电)叫少数载流子。,P型半导体 （掺杂3价元素）,LED芯片结构图,大功率LED的散热问题,LED是个光电器件，其工作过程中只有25%40%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是个大问题。 例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为30%，则有7W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150），大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。,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

4、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。,产生LED结温的原因,a、元件不良的电极结构，视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED元件的串联电阻。当电流流过PN结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。,b、由于PN结不可能极端完美，元件的注入效率不会达到100，也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷(空穴)外，N区也会向P区注入电荷 (电子)，一般情况下，后一类的电荷注入不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉了。即使

5、有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。,c、实践证明，出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。目前，先进的材料生长与元件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能，然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的极大部分光子(90)无法顺利地溢出介面，而在芯片与介质介面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。,d、显然，LED元件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。由于环

6、氧胶是低热导材料，因此PN结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层， PCB与热沉向下发散。显然，相关材料的导热能力将直接影响元件的热散失效率。一个普通型的LED，从PN结区到环境温度的总热阻在300到 600w之间，对于一个具有良好结构的功率型LED元件，其总热阻约为15到30 w。巨大的热阻差异表明普通型LED元件只能在很小的输入功率条件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。,LED的输入功率是元件热效应的唯一来源，能量的一部分变成了辐射光能，其余部分最终均变成了热，从而抬升了元件的温度。显然，减小LED温升效应的

7、主要方法， 一是设法提高元件的电光转换效率（又称外量子效率），使尽可能多的输入功率转变成光能， 另一个重要的途径是设法提高元件的热散失能力，使结温产生的热，通过各种途径散发到周围环境中去。,1、结温对LED性能的影响,K2系列的内部结构,结温：当LED发光时的PN结的温度,1.1 结温对光通量的影响,当LED的结温升高时，器件的输出光强度将逐渐减小；而当结温下降时，光输出强度将增大，一般情况下，这种变化是可逆和可恢复的。当温度回到原来的值，光强也会恢复到原来的状态。 结温对光输出影响的数学表达式为：,表示结温T2的光通量输出,表示结温T1的光通量输出,K为温度系数，一般情况下，K值由实验测定，

8、K值越大，器件的出光通量随温度的增加衰减得越快。,对于InGaN系列LED，出光通量随温度的变化远小于InGaAlP LED,1.2 高温下器件性能的衰变,高温下，LED的光输出特性除了发生可恢复性的衰变以外，还将随时间产生一种不可恢复的永久性的衰变。为了确保LED正常工作，让LED的结温低于某一确定的值（Tj）是十分必要的。,永久性衰变的原因: (1) 材料内缺陷的增殖。 芯片的生长采用MOCVD技术在GaAs、蓝宝石衬底等外延生长InGaAlP或InGaN等材料，外延层之间存在着或多或少的晶格失配，从而在界面上形成大量的诸如位错等结构缺陷，在较高温度时，这些位错会快速增殖、繁衍，直至侵入发

9、光区，形成大量的非辐射复合中心，严重影响器件的注入效率与发光效率。,（2）环氧树脂变性 封装LED用的环氧树脂存在一个重要特性，当温度超过一特定温度时（Tg=125度），环氧树脂将从一种刚性的类似玻璃状态转变为一种柔性的类似橡胶状的物质。此时材料的膨胀系数急剧增加，形成一个明显的拐点，致使芯片电极与引线收到额外的压力，而发生过度疲劳乃至脱落损坏。另外环氧树脂处于较高温度时（小于Tg)与芯片临近的部分会逐渐变性、发黄，从而影响环氧树脂的透光性能。,1.3结温对发光波长的影响,LED发光波长一般可分成峰值波长与主波长两类。 峰值波长：光强最大的波长 主波长：由X、Y色坐标决定，反应人眼所感知的颜色

10、。 对于LED器件，发光区材料的禁带宽度直接决定了器件发光的波长或颜色。 InGaAlP与InGaN材料属三-五族化合物半导体，其性质与GaAs相仿，当温度升高时，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，颜色产生红移。,结温对发光波长影响的数学表达式为：,表示结温T2时的波长,表示结温T1时的波长,K表示波长随温度变化的系数,人眼对不同波长的颜色感知灵敏度存在很大的差异。 对蓝、绿、黄器件，一般来说，25nm的波长变化人眼就可以感觉到。 对红光来说，人眼的感觉要相对迟钝些，但也能感觉到15nm的波长变化。,人眼视觉效率曲线,1.4 结温对LED正向电压的影响,在小电流近似下，LED的正向压

11、降为：,式中，VF为正向电压，IF为正向电流，I0为反向饱和电流，q为电子电荷，k为波耳兹曼常数，Rs为串联电阻，n为表征PN结完美性的一个参量，处在12之间。,上式中，只是反向饱和电流I0与温度密切相关， I0值随结温的升高而增大，导致正向电压VF值下降。,LED伏安特性,u,i,0,当温度较高时，由于结区缺陷与杂质的大量增殖与聚集，也将造成额外复合电流的增加，而使正向电压下降。 在恒压条件下，由于温升效应使正向电压下降与正向电流增加，形成恶性循环，最终将导致器件损坏。 因此，恒流是LED工作的较好模式。,1.5结温对LED使用寿命的影响,Life=106 e-0.08Thour,在散热设计

12、中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJTJmax,2 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，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。 热耗散功率为PD(W)表示。 由电流的热损耗而引起的PN结温升为： T()=RthPD,式中：Tj、Ta分别为对应LED器件PN结和器件周围的环境温度。Rth为LED器件PN结

13、到环境温度之间的热阻；PD为器件的热耗散功率，约等于器件的电输入功率。PD=VFIF,PN结结温为： Tj=Ta+RthPD,热阻的计算,例：倒装型大功率白光LED表面贴装到金属线路板上。其热阻为 RejA= RejC+ ReCA,稳态时LED热阻等效连接图,图中RejC为器件的内部热阻；ReCA为器件的外部热阻；ReDic为倒装芯片的热阻；ReAttach为硅衬底黏结焊料热阻；REhc器件内部热沉的热阻；ReCB器件内部热沉与金属线路板之间的接触热阻；ReBoard为金属线路板的热阻；ReBA为金属线路板至环境温度之间的热阻。,类似于电学中的电阻特性，热阻也存在相同的运算法则，当n个LED安

14、装在同一块基板上时，Tj、TC、TB分别表示某个 LED的PN结结温、外壳的温度、基板的温度。 Rth-A、 Rth-B、 Rth-C分别代表PN结与外壳、外壳与基板、基板与环境之间的热阻，那么该LED阵列的总热阻可表示为： Rth=Rth-A+ Rth-B+ Rth-C （阵列中所有LED具有完全相同的参数）,知道了器件总的热阻，则LED结温即可求出,式中，Tj为器件的PN结温，Ta为环境温度， 为器件的热耗散功率，Rth为器件PN结与环境之间的热阻。,显然，LED的热阻将严重影响器件的使用条件与性能，当热阻较小时，光通量几乎与正向电流成正比，当热阻较大时，由于PN结温的上升，当正向电流加大到某个值时，光通量将趋于饱和，并随之逐渐下降。对于一个LED，设法降低PN结与环境之间的热阻是提高器件散热能力的根本途径。,降低热阻的方法 首先，用于LED的各热阻