大功率LED的熱量分析與設計

本文分析了大功率LED光源熱的產(chǎn)生、傳導，依據(jù)熱阻基本公式推導出比較完整的熱阻計算公式和測試方法，并討論了計算、測試熱阻對大功率LED封裝設計的實踐意義和應用產(chǎn)品的熱量處理。
關鍵詞：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的應用也由最初的指示擴展到交通、大屏幕顯示、汽車剎車燈、轉(zhuǎn)向燈、工程建筑裝飾燈、特種照明領域并正在向普通照明積極推進。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具有深遠的意義。

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)有關資料分析，大約70％的故障來自LED的溫度過高，并且在負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熱性能好；其次結(jié)構(gòu)設計要合理，各材料間的導熱性能和膨脹系數(shù)要連續(xù)匹配。避免導熱通道中產(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、傳導和疏散

與傳統(tǒng)光源一樣，半導體發(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。在外加電能量作用下，電子和空穴的輻射復合發(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）本身的半導體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達外界（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合發(fā)生的點陣振動的形式轉(zhuǎn)化熱能。而晶片溫度的升高，則會增強非輻射復合，進一步消弱發(fā)光效率。

大功率LED一般都有超過1W的電輸入功率，其產(chǎn)生的熱量相當可觀，解決散熱問題乃當務之急。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光源熱傳導的主要通道，熱傳導通道上任何薄弱環(huán)節(jié)都會使熱導設計毀于一旦。熱的傳播方式可分為三種：（1）傳導——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照明光源而言傳導方式起最主要的作用，為了取得好的導熱效果，三個導熱環(huán)節(jié)應采用熱導系數(shù)高的材料，并盡量提高對流散熱。

二． 大功率LED熱阻的計算

1.熱阻是指熱量傳遞通道上兩個參點之間的溫度差與兩點間熱量傳輸速率的比值：Rth＝△T/qx （1）
其中：Rth=兩點間的熱阻（℃/W或K/W），ΔT=兩點間的溫度差（℃），qx=兩點間熱量傳遞速率（W）。

2. 熱傳導模型的熱阻計算
Rth＝L/λS （2）
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(shù)（W/mK）。越短的熱傳導距離、越大的截面積和越高的熱傳導系數(shù)對熱阻的降低越有利，這要求設計合理的封裝結(jié)構(gòu)和選擇合適的材料。

3. 大功率LED的熱阻計算
（1） 根據(jù)公式（1），晶片上P-N結(jié)點到環(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)點溫度 - 環(huán)境溫度 。
（2）設定晶片上P-N結(jié)點生成的熱沿著以下簡化的熱路徑傳導：結(jié)點→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)點到環(huán)境的總熱阻：

Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba

圖2中所示散熱路徑中每個熱阻抗所對應的元件介于各個溫度節(jié)點之間，其中：Rthjs(結(jié)點到熱沉) ＝ 晶片半導體有源層及襯底、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），如果知道了個材料的尺寸及其熱傳導系數(shù)，可以求出以上各熱阻，進而求得總熱阻Rthja。

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