大功率LED的熱量分析與設(shè)計(jì)

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(cè)試方法，并討論了計(jì)算、測(cè)試熱阻對(duì)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

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

隨著LED超高亮度的出現(xiàn)及LED色彩的豐富，LED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(shí)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(cè)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(cè)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(huì)產(chǎn)生熱量，其多少取決于整體的發(fā)光效率。在外加電能量作用下，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(dòng)的形式轉(zhuǎn)化熱能。而晶片溫度的升高，則會(huì)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(gè)環(huán)節(jié)：
1. 晶片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(gè)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(huì)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(gè)原子傳遞的，所以不能采用高熱阻的界面材料；（2）對(duì)流——熱量通過流轉(zhuǎn)的介質(zhì)（空氣、水）擴(kuò)散和對(duì)流，從散熱器傳遞到周圍環(huán)境中去，故不要限制或阻止對(duì)流；（3 ）輻射——熱量依靠電磁波經(jīng)過液體、氣體或真空傳遞。對(duì)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(gè)導(dǎo)熱環(huán)節(jié)應(yīng)采用熱導(dǎo)系數(shù)高的材料，并盡量提高對(duì)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(gè)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 （1）
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 （2）
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(duì)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 * 正向電壓Vf,
ΔTja=Tj-Ta= 結(jié)點(diǎn)溫度 - 環(huán)境溫度 。
（2）設(shè)定晶片上P-N結(jié)點(diǎn)生成的熱沿著以下簡化的熱路徑傳導(dǎo)：結(jié)點(diǎn)→熱沉→鋁基散熱電路板→空氣/環(huán)境（見圖1），則熱路徑的簡化模型就是串聯(lián)熱阻回路，如圖2表示：

P-N結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的總熱阻：

Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba

圖2中所示散熱路徑中每個(gè)熱阻抗所對(duì)應(yīng)的元件介于各個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)之間，其中：Rthjs(結(jié)點(diǎn)到熱沉) ＝ 晶片半導(dǎo)體有源層及襯底、粘結(jié)襯底與熱沉材料的熱阻；

Rthsb(熱沉到散熱電路板) ＝熱沉、連結(jié)熱沉與散熱電路板材料的熱阻；

Rthba（散熱電路板到空氣/環(huán)境）＝散熱電路板、表面接觸或介于降溫裝置和電路板之間的粘膠和降溫裝置到環(huán)境空氣的組合熱阻。

根據(jù)公式（2），如果知道了個(gè)材料的尺寸及其熱傳導(dǎo)系數(shù)，可以求出以上各熱阻，進(jìn)而求得總熱阻Rthja。

以下是幾種常見的1W大功率LED的熱阻計(jì)算：以Emitter(1mm×1mm晶片)為例，只考慮主導(dǎo)熱通道的影響，從理論上計(jì)算P-N結(jié)點(diǎn)到熱沉的熱阻Rthjs。

A、正裝晶片/共晶固晶

B、正裝晶片/銀膠固晶

C、si襯底金球倒裝焊晶片/銀膠固晶（見圖3所示）

圖3 倒裝焊晶片/銀膠固晶 大功率LED剖面