LED的熱量管理 Thermal Management Considerations for LEDs

裴 小 明 Simen pe
技術總監 CTO
深圳市量子光電子有限公司
Shenzhen Quan tum Optoelectronic Co

一、熱對LED的影響
1.LED是冷光源嗎？
(1)LED的發光原理是電子與空穴經過復合直接發出光子，過程中不需要熱量oLED可以稱為冷光源。
(2)LED的發光需要電流驅動。輸入LED的電能中，只有約15070有效復合轉化為光，大部分（約85070）因無效復合而轉化為熱。
(3)LED發光過程中會產生熱量，LED并非不會發熱的冷光源。
2．熱對LED性能和結構的影響
    LED電致發光過程產生的熱量和工作環境溫度(Ta) 的不同，引起LED芯片結溫Tj的變化o LED是溫度敏感器件，當溫度變化時，LED的性能和封裝結構都會受到影響，  從而影響LED的可靠性。

二、LED的熱工模型
  1．LED熱量的來源
    ·輸入的電能中（約85%）因無效復合而產生的熱量；
    ·來自工作環境的熱量。
  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%）轉化為熱量，一般計算中忽略轉化為光的部分能量（約15%），假設所有的電能都轉變成了熱；
·在LED工作熱平衡后，
    Tj=Ta+RthjaPD
 其中Rthja=LED的PN結與環境之間的熱阻；Pd= If .Vf LED的輸入功率。

 

三、LED熱阻的計算
1．熱阻的概念
·熱阻：熱量傳導通道上兩個參考點之間的溫度差與兩點間熱量傳輸速率的比值。
    Rth=△T/qx
其中：Rth=兩點間的熱阻(℃/W或K/W)
    △T=兩點間的溫度差(℃)
    qx=兩點間熱量傳遞速率(W)
·熱傳導模型的熱阻計算
   Rth= L/λS
其中：L為熱傳導距離(m)
    S為熱傳導通道的截面積(m2)
    λ為熱傳導系數( W/mK)

四、LED熱阻的測量
  1．理論依據
    半導體材料的電導率具有熱敏性，改變溫度可以顯著改變半導體中的載流子的數量。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系。可以認為半導體器件的正向壓降與
結溫是線性變化關系。

只要監測LED正向壓降Vf的改變，便可以確定其熱阻。

五、LED的結溫T；
1 常用的結溫測算方法
LED的結溫TJ無法直接測量，只能通過間接的方式進行測量估算

(1)熱影像法
用精密熱影像儀聚焦LED芯片PN結層面，拍攝熱影像，對應出Tj。
(2)熱阻測量法

3．降低LED結溫的途徑
(1)減少LED本身的熱阻；
(2)良好的二次散熱機構；
(3)減少LED與二次散熱機構安裝界面之間的熱阻；
(4)控制額定輸入功率Pd；
(5)降低環境溫度Ta

六、降低LED熱阻的途徑

1.降低芯片的熱阻
2.優化熱通道
(1)通道結構
  長度(L)越短越好 面積(S)越大越好 環節越少越好

  消除通道上的熱傳導瓶頸。
(2)通道材料——導熱系數入越大越好

(3)改良封裝工藝，令通道環節間的界面接觸更緊密可靠
3.強化電通道的導／散熱功能
4.選用導／散熱性能更高的出光通道材料

七、LED應用中的導熱和散熱
  1．依LED結溫TJ的要求設計二次散熱機構
    ①取得正確的LED熱阻值Rthjs或Rthjb；
    ②評估LED工作時可能遭遇的最高環境溫度Tamax；
    ③為使LED可靠地工作，最好將LED正常工作時的最大結溫T'jmax
    設定低于LED結溫的最大額定值Tjmax；
    ④確定不超出額定功率的最大輸入功率Pdmax；   
    ⑤計算出Rtja
    ⑥計算二次散熱機構容許的最大熱阻   
    ⑦依Rthsa或Rthba作為目標值，查對LED供應商提供的對應Rthsa或Rthba的散熱裝置要求，以決定符合應用需求的二次散熱機構的設計。

  2．安裝工藝
 導熱環節界面平整光滑，接觸緊密可靠，必要時可加散熱膏或粘合連接安裝，以確保將LED的熱量高效地引導到二次散熱機構

小結

1．清晰概念、理論依據和熱工模型
2．指導實際生產、測量和應用，以突顯LED的優點
THE  END
 

 熱設計培訓資料下載：LED的熱量管理.pdf

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