led熱阻的測量分析

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1、摘要：本文分析了大功率LED光源熱的產(chǎn)生、傳導(dǎo)，依據(jù)熱阻基本公式推導(dǎo)出比較完整的熱阻計(jì)算公式和測試方法，并討論了計(jì)算、測試熱阻對大功率LED封裝設(shè)計(jì)的實(shí)踐意義和應(yīng)用產(chǎn)品的熱量處理。關(guān)鍵詞：熱量管理???P-N結(jié)溫???熱阻???ThermalAnalyseandDesignofHigh-PowerLED?Abstract:ThispaperintroducetheheatproduceandconductofHigh-PowerLEDlightingsource,thenconcludetheformulaforcalculatinghea

2、tresistanceandshowatestmethod.ThepracticemeaningofcalculationandtestmethodforHigh-PowerLED‘sdesignhasbeendiscussed,wegivesomethermalmanagementadvicefortheproduct’sapplyingaswell.KeyWords:Thermalmanagement??P-NJunctionTemperature?Heatresistance?引言　　隨著LED超高亮度的出現(xiàn)及LED色彩的豐富，LED

3、的應(yīng)用也由最初的指示擴(kuò)展到交通、大屏幕顯示、汽車剎車燈、轉(zhuǎn)向燈、工程建筑裝飾燈、特種照明領(lǐng)域并正在向普通照明積極推進(jìn)。阻礙這一發(fā)展的最大敵害是LED的熱量管理，因此從事熱阻、結(jié)溫、熱參數(shù)匹配等問題的研究和改進(jìn)具有深遠(yuǎn)的意義。　　如何降低大功率LED的熱阻、結(jié)溫，使PN結(jié)產(chǎn)生的熱量能盡快的散發(fā)出去，不僅可提高產(chǎn)品的發(fā)光效率，提高產(chǎn)品的飽和電流，同時也提高了產(chǎn)品的可靠性和壽命。據(jù)有關(guān)資料分析，大約70％的故障來自LED的溫度過高，并且在負(fù)載為額定功率的一半的情況下溫度每升高200C故障就上升一倍。為了降低產(chǎn)品的熱阻，首先封裝材料的選擇顯得尤為重

4、要，包括晶片、金線，硅膠、熱沉、粘結(jié)膠等,各材料的熱阻要低即要求導(dǎo)熱性能好；其次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，各材料間的導(dǎo)熱性能和膨脹系數(shù)要連續(xù)匹配。避免導(dǎo)熱通道中產(chǎn)生散熱瓶頸或因封裝物質(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。　　目前測量半導(dǎo)體器件工作溫度及熱阻的主要方法有：紅外微象儀法，電壓參數(shù)法，還有光譜法，光熱阻掃描法及光功率法。其中電壓法測量LED熱阻最常用。?一．??LED熱的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和疏散　　與傳統(tǒng)光源一樣，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）在工作期間也會產(chǎn)生熱量，其多少取決于整體的發(fā)光效率。在外加電

5、能量作用下，電子和空穴的輻射復(fù)合發(fā)生電致發(fā)光，在P-N結(jié)附近輻射出來的光還需經(jīng)過晶片（chip）本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達(dá)外界（空氣）。綜合電流注入效率、輻射發(fā)光量子效率、晶片外部光取出效率等，最終大概只有30-40％的輸入電能轉(zhuǎn)化為光能，其余60-70％的能量主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點(diǎn)陣振動的形式轉(zhuǎn)化熱能。而晶片溫度的升高，則會增強(qiáng)非輻射復(fù)合，進(jìn)一步消弱發(fā)光效率。　　大功率LED一般都有超過1W的電輸入功率，其產(chǎn)生的熱量相當(dāng)可觀，解決散熱問題乃當(dāng)務(wù)之急。通常來說，大功率LED照明光源需要解決的散熱問題涉及以下幾個環(huán)節(jié)：????1.晶

6、片PN結(jié)到外延層；????2.外延層到封裝基板；????3.封裝基板到外部冷卻裝置再到空氣。　　這三個環(huán)節(jié)構(gòu)成大功率LED光源熱傳導(dǎo)的主要通道，熱傳導(dǎo)通道上任何薄弱環(huán)節(jié)都會使熱導(dǎo)設(shè)計(jì)毀于一旦。熱的傳播方式可分為三種：（1）傳導(dǎo)——熱量是通過逐個原子傳遞的，所以不能采用高熱阻的界面材料；（2）對流——熱量通過流轉(zhuǎn)的介質(zhì)（空氣、水）擴(kuò)散和對流，從散熱器傳遞到周圍環(huán)境中去，故不要限制或阻止對流；（3）輻射——熱量依靠電磁波經(jīng)過液體、氣體或真空傳遞。對大功率LED照明光源而言傳導(dǎo)方式起最主要的作用，為了取得好的導(dǎo)熱效果，三個導(dǎo)熱環(huán)節(jié)應(yīng)采用熱導(dǎo)系數(shù)高

7、的材料，并盡量提高對流散熱。?二．??大功率LED熱阻的計(jì)算1.熱阻是指熱量傳遞通道上兩個參點(diǎn)之間的溫度差與兩點(diǎn)間熱量傳輸速率的比值：?Rth＝△T/qx???。?）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）。2.?熱傳導(dǎo)模型的熱阻計(jì)算Rth＝L/λS?　　?。?）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）。越短的熱傳導(dǎo)距離、越大的截面積和越高的熱傳導(dǎo)系數(shù)對熱阻的降低越有利，這要求設(shè)計(jì)合理的封裝結(jié)構(gòu)和選擇合適的材料。3.??????大功

8、率LED的熱阻計(jì)算?????（1）根據(jù)公式（1），晶片上P-N結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的總熱阻：Rthja=△Tja/Pd=(Tj-Ta)/Pd其中：Pd=消散的功率（W）≈正向電流If*正向