LED的熱量管理 Thermal Management Considerations for LEDs

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

一、熱對(duì)LED的影響
1.LED是冷光源嗎？
(1)LED的發(fā)光原理是電子與空穴經(jīng)過(guò)復(fù)合直接發(fā)出光子，過(guò)程中不需要熱量oLED可以稱為冷光源。
(2)LED的發(fā)光需要電流驅(qū)動(dòng)。輸入LED的電能中，只有約15070有效復(fù)合轉(zhuǎn)化為光，大部分（約85070）因無(wú)效復(fù)合而轉(zhuǎn)化為熱。
(3)LED發(fā)光過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，LED并非不會(huì)發(fā)熱的冷光源。
2．熱對(duì)LED性能和結(jié)構(gòu)的影響
    LED電致發(fā)光過(guò)程產(chǎn)生的熱量和工作環(huán)境溫度(Ta) 的不同，引起LED芯片結(jié)溫Tj的變化o LED是溫度敏感器件，當(dāng)溫度變化時(shí)，LED的性能和封裝結(jié)構(gòu)都會(huì)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(lái)源
    ·輸入的電能中（約85%）因無(wú)效復(fù)合而產(chǎn)生的熱量；
    ·來(lái)自工作環(huán)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(zhuǎn)化為熱量，一般計(jì)算中忽略轉(zhuǎn)化為光的部分能量（約15%），假設(shè)所有的電能都轉(zhuǎn)變成了熱；
·在LED工作熱平衡后，
    Tj=Ta+RthjaPD
 其中Rthja=LED的PN結(jié)與環(huán)境之間的熱阻；Pd= If .Vf LED的輸入功率。

 

三、LED熱阻的計(jì)算
1．熱阻的概念
·熱阻：熱量傳導(dǎo)通道上兩個(gè)參考點(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)
    △T=兩點(diǎn)間的溫度差(℃)
    qx=兩點(diǎn)間熱量傳遞速率(W)
·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)

四、LED熱阻的測(cè)量
  1．理論依據(jù)
    半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率具有熱敏性，改變溫度可以顯著改變半導(dǎo)體中的載流子的數(shù)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(guān)系。可以認(rèn)為半導(dǎo)體器件的正向壓降與
結(jié)溫是線性變化關(guān)系。

只要監(jiān)測(cè)LED正向壓降Vf的改變，便可以確定其熱阻。

五、LED的結(jié)溫T；
1 常用的結(jié)溫測(cè)算方法
LED的結(jié)溫TJ無(wú)法直接測(cè)量，只能通過(guò)間接的方式進(jìn)行測(cè)量估算

(1)熱影像法
用精密熱影像儀聚焦LED芯片PN結(jié)層面，拍攝熱影像，對(duì)應(yīng)出Tj。
(2)熱阻測(cè)量法

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

六、降低LED熱阻的途徑

1.降低芯片的熱阻
2.優(yōu)化熱通道
(1)通道結(jié)構(gòu)
  長(zhǎng)度(L)越短越好 面積(S)越大越好 環(huán)節(jié)越少越好

  消除通道上的熱傳導(dǎo)瓶頸。
(2)通道材料——導(dǎo)熱系數(shù)入越大越好

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

七、LED應(yīng)用中的導(dǎo)熱和散熱
  1．依LED結(jié)溫TJ的要求設(shè)計(jì)二次散熱機(jī)構(gòu)
    ①取得正確的LED熱阻值Rthjs或Rthjb；
    ②評(píng)估LED工作時(shí)可能遭遇的最高環(huán)境溫度Tamax；
    ③為使LED可靠地工作，最好將LED正常工作時(shí)的最大結(jié)溫T'jmax
    設(shè)定低于LED結(jié)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(jì)算出Rtja
    ⑥計(jì)算二次散熱機(jī)構(gòu)容許的最大熱阻   
    ⑦依Rthsa或Rthba作為目標(biāo)值，查對(duì)LED供應(yīng)商提供的對(duì)應(yīng)Rthsa或Rthba的散熱裝置要求，以決定符合應(yīng)用需求的二次散熱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

  2．安裝工藝
 導(dǎo)熱環(huán)節(jié)界面平整光滑，接觸緊密可靠，必要時(shí)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(dǎo)到二次散熱機(jī)構(gòu)

小結(jié)

1．清晰概念、理論依據(jù)和熱工模型
2．指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)、測(cè)量和應(yīng)用，以突顯LED的優(yōu)點(diǎn)
THE  END
 

 熱設(shè)計(jì)培訓(xùn)資料下載：LED的熱量管理.pdf

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