大功率LED的热量分析与设计

本文分析了大功率LED光源热的产生、传导，依据热阻基本公式推导出比较完整的热阻计算公式和测试方法，并讨论了计算、测试热阻对大功率LED封装设计的实践意义和应用产品的热量处理。
关键词：热量管理    P-N结温    热阻 

Thermal Analyse and Design of High-Power LED

Abstract: This paper introduce the heat produce and conduct of High-Power LED lighting source,then conclude the formula for calculating heat resistance and show a test method. The practice meaning of calculation and test method for High-Power LED ‘s design has been discussed, we give some thermal management advice for the product’s applying as well.
Key Words: Thermal management   P-N Junction Temperature  Heat resistance

引言
　　随着LED超高亮度的出现及LED色彩的丰富，LED的应用也由最初的指示扩展到交通、大屏幕显示、汽车刹车灯、转向灯、工程建筑装饰灯、特种照明领域并正在向普通照明积极推进。阻碍这一发展的最大敌害是LED的热量管理，因此从事热阻、结温、热参数匹配等问题的研究和改进具有深远的意义。
　　如何降低大功率LED的热阻、结温，使PN结产生的热量能尽快的散发出去，不仅可提高产品的发光效率，提高产品的饱和电流，同时也提高了产品的可靠性和寿命。据有关资料分析，大约70％的故障来自LED的温度过高，并且在负载为额定功率的一半的情况下温度每升高200C故障就上升一倍。为了降低产品的热阻，首先封装材料的选择显得尤为重要，包括晶片、金线，硅胶、热沉、粘结胶等,各材料的热阻要低即要求导热性能好；其次结构设计要合理，各材料间的导热性能和膨胀系数要连续匹配。避免导热通道中产生散热瓶颈或因封装物质的膨胀或收缩产生的形变应力，使欧姆接触、固晶界面的位移增大，造成LED开路和突然失效。
　　目前测量半导体器件工作温度及热阻的主要方法有：红外微象仪法，电压参数法，还有光谱法，光热阻扫描法及光功率法。其中电压法测量LED热阻最常用。

一．   LED热的产生、传导和疏散
　　与传统光源一样，半导体发光二极管（LED）在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在P-N结附近辐射出来的光还需经过晶片（chip）本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界（空气）。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、晶片外部光取出效率等，最终大概只有30-40％的输入电能转化为光能，其余60-70％的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。而晶片温度的升高，则会增强非辐射复合，进一步消弱发光效率。
　　大功率LED一般都有超过1W的电输入功率，其产生的热量相当可观，解决散热问题乃当务之急。通常来说，大功率LED照明光源需要解决的散热问题涉及以下几个环节：
     1. 晶片PN结到外延层 ；
     2. 外延层到封装基板 ；
     3. 封装基板到外部冷却装置再到空气。
　　这三个环节构成大功率LED光源热传导的主要通道，热传导通道上任何薄弱环节都会使热导设计毁于一旦。热的传播方式可分为三种：（1）传导——热量是通过逐个原子传递的，所以不能采用高热阻的界面材料；（2）对流——热量通过流转的介质（空气、水）扩散和对流，从散热器传递到周围环境中去，故不要限制或阻止对流；（3 ）辐射——热量依靠电磁波经过液体、气体或真空传递。对大功率LED照明光源而言传导方式起最主要的作用，为了取得好的导热效果，三个导热环节应采用热导系数高的材料，并尽量提高对流散热。

二． 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/qx （1）
其中：Rth=两点间的热阻（℃/W或K/W），ΔT=两点间的温度差（℃），qx=两点间热量传递速率（W）。
2. 热传导模型的热阻计算
Rth＝L/λS （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/mK）。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。
3. 大功率LED的热阻计算
（1） 根据公式（1），晶片上P-N结点到环境的总热阻：
Rthja = △Tja/Pd = (Tj-Ta)/Pd
其中： Pd = 消散的功率（W）≈正向电流If * 正向电压Vf,
ΔTja=Tj-Ta= 结点温度 - 环境温度 。
（2）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