LED散热基本知识 2 主要内容 8 1LED发热原理及散热的必要性 8 2LED散热途径 8 3LED热工模型 8 4LED热管理 8 5应用案例 4 1 LED的热量产生原因 LED的基本结构是一个半导体PN结 LED发热的原因是所加入的电能并没有全部转化为光能 而是一部分转化为热能 电流流过LED元件时 PN结的温度降上升 把PN结区的温度定义为LED结温 内部量子效率不高 电流泄露 使PN区载流子的复合率降低 目前内量子效率可达90 不占主要成分 外量子效率不高 内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量 目前外量子效率只有30 左右 是主要成分 产生热量的原因1 图 a 电子与空穴结合产生辐射复合 辐射光子能量为hv Eg 图 b 在非辐射复合中 电子与空穴结合后转化为晶格振动 以热量的形式表现 在目前的技术条件下 不同波长的LED芯片中 非辐射复合百分比从1 红橙色 97 深紫色 不等 因此芯片内量子效率为99 红橙色 3 深紫色 LED散热原理与技术简介 产生热量的原因2 芯片PN结处发出的光子在通过芯片表面的时候 由于芯片的折射率远大于空气和封装用的硅胶 存在全反射的现象 导致到达表面的光子被反射回芯片内部 最终转换成了热量 外量子效率的定义为 ex 芯片发射出的光子数量 PN结产生的光子数量 通常外量子效率从3 30 不等 2008年 制作白光单元的时候 由于荧光粉存在激发效率 也存在部分激发能量转换为热量 不合理的光学设计也会导致产品出光效率低下 为出射的光能转化为热能 因此综合上述原因 目前高亮度的LED产品仅有20 左右的电能最终转换为光能 LED散热原理与技术简介 7 2 LED发光特点 LED是一种注入电致发光器件 在外加电场作用下 电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将一部分能量转化为光能 即量子效应 而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能量转化为热能 对大于1W级的大功率LED而言 目前的电光转换效率约为15 剩余的85 转化为热能 而芯片尺寸仅为1mmx1mm 2 5mmx2 5mmm 意即芯片的功率密度很大 与传统的照明器件不同 自光LED的发光光谱中不包含红外部分 所以其热量不能依靠辐射释放 因此 如何提高散热能力是大功率LED实现产业化有待解决的关键技术难题之一 大功率LED广义上说就是单颗LED光源功率大于0 35W 含0 35W 的 拥有大额定工作电流的发光二极管 普通LED功率一般为0 05W 工作电流为20mA 而大功率LED可以达到1W 2W 甚至数十瓦 工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等 其单位时间内产生的热量更多 对其正常照明有很大的影响 3 热效应对大功率LED性能的影响 其中 v Tj1 结温Tj1时的光通量 v Tj2 结温Tj2时的光通量 Tj Tj2 Tj1k 温度系数 光通量 v与结温Tj的关系 1 温度与光通量的关系 10 2020 4 24 AlInGaP类LED光输出与结温关系图 相对光输出 Tj InGaN类LED光输出与结温关系图 相对光输出 绿色蓝绿色蓝色白色深蓝色 Tj 当LED的结温升高时 器件的输出光强度将逐渐减少 光通量随结温的增加而减少的效应是可逆的 即当温度回复到初始温度时 光通量会有一个恢复性的增长 这种效应的机制显然是由于材料的一些相关参数会随温度发生 从而导致器件参数的变化 随温度的增加 电子与空穴的浓度会增加 禁带宽度会减小 电子迁移率也将减小 势阱中电子与空穴的辐射复合几率降低 造成非辐射复合 产生热量 从而降低LED的内量子效率 12 2020 4 24 光通量与环境温度的关系 Ta 100 时 LED的光通量将下降至室温时的一半左右 LED的应用必须考虑温度对光通量的影响 13 2020 4 24 2 波长与结温Tj的关系 LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长 峰值波长即光强最大的波长 而主波长可由X Y色度坐标决定 反映了人眼所感知的颜色 显然 结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受 对于一个LED器件 发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色 14 2020 4 24 2 波长与结温Tj的关系 当温度升高时 材料的禁带宽度将减小 导致器件发光波长变长 颜色发生红移 使芯片的发射波长和荧光粉的激发波长不匹配 也会造成白光LED外部光提取效率的降低 3 正向压降Vf结温Tj的关系 正向电压是判定LED性能的一个重要参量 其大小取决于半导体材料的特性 芯片尺寸以及器件的成结与电极制作工艺 相对于20mA的正向电流通常InGaAlPLED的正向电压在1 8 2 2V之间 InGaNLED的正向电压处在3 0 3 5V之间 在小电流近似下 LED器件的正向压降可由表示为 Vf 正向电压If 正向电流I0反向饱和电流q 电子电荷k 玻尔兹曼常数Rs串联电阻n表征P N结完美性的一个参量 处在1 2之间 17 2020 4 24 k Vf Tj 正向压降随结温变化的系数 通常取 2 0mV 在输入电流恒定的情况下 对于一个确定的LED器件 两端的正向压降与温度的关系为 高温下 由于结区缺陷与杂质的大量增值与集聚 也将造成额外复合电流的增加 而使正向电压下降 当电流固定时 温度升高 LED正向电压会下降 由于正向电压与温度的关系接近线性 所以大多LED热阻测试仪器利用LED的这一特性测量其热阻或结温 19 2020 4 24 4 热对发光效率 v的影响 在输入功率一定时 热量 结温Tj 正向压降Vf 电流If 热量 发光效率 v LED内部会形成自加热循环 如果不及时引导和消散LED的热量 LED的发光效率将不断降低 5 热对LED荧光粉激发效率的影响 温度升高 荧光粉激射效率下降 6 热对LED出光通道的影响 加速出光通道物质的老化 降低通道物质的透光率 改变出光通道物质的折射率 影响光线的空间分布 严重时改变出光通道结构 22 2020 4 24 7 热对LED寿命的影响 不同温度下AlInGaPPowerLED老化测试结果 测试时间 小时 相对光输出 实际数据外推数据实际数据外推数据 实际数据外推数据 LED的寿命表现为它的光衰 也就是时间长了 亮度就越来越低 直到最后熄灭 通常定义LED光通量衰减30 的时间为其寿命 23 2020 4 24 永久性衰减主要包括 多层量子阱之间存在晶格失配 界面上形成大量的位错等结构缺陷 随温度升高 这些缺陷会快速增值 繁衍 直至侵入发光区 形成大量的非辐射复合中心 高温条件下 材料内的微缺陷及来自界面与电极的快扩杂质也会引入发光区 形成大量的深能级 主要指不可恢复的永久性的衰变 封装LED用的环氧树脂存在着一个重要特征 即当环氧树脂温度超过一个特定温度时 环氧树脂特性将从一个刚性的类玻璃状态转变为一个柔软的似橡胶状态的物质 材料的膨胀系数急剧增加 形成一个明显的拐点 此温度为125 C 当器件在此温度附近或高于此温度变化时 将发生明显的膨胀或收缩 致使芯片电极与引线受到额外的压力 而发生过渡疲劳乃至脱落损坏 当环氧树脂处于较高温度时 与邻近部分的封装环氧树脂会逐渐变性 发黄 影响环氧树脂的透明性能 随着工作时间的延长 LED光输出将逐渐衰退 对于单个LED而言 如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出 则会导致芯片温度升高 引起热应力的非均匀分布 芯片的失效率也会上升 焊点经历一定次数冷热循环后 热胀冷缩的循环 会产生脱节 一般来说 焊点的温度越高 脱节前经历的冷热循环数越低 8 2LED散热途径及存在的问题 1 芯片散热 2 封装散热 3 金属基板技术 铝基板PCB由电路层 铜箔层 导热绝缘层和金属基层组成 电路层要求具有很大的载流能力 从而应使用较厚的铜箔 厚度一般35 m 280 m 导热绝缘层是PCB铝基板核心技术之所在 它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物构成 热阻小 粘弹性能优良 具有抗热老化的能力 能够承受机械及热应力 并且使其具有极为优良的导热性能和高强度的电气绝缘性能 金属基层是铝基板的支撑构件 要求具有高导热性 一般是铝板 也可使用铜板 其中铜板能够提供更好的导热性 适合于钻孔 冲剪及切割等常规机械加工 4 翅片散热 204环氧树脂或硅胶 荧光粉胶层 203LED芯片裸片202LED基片 80w mk 201金属电极 106焊锡层 60w mk 105敷铜层 400w mk 104电绝缘层 1W mk 103铝板 200w mk 102导热胶或垫片 8w mk 101铝散热翅 200w mk 由于环氧树脂的导热能力很差 蓝宝石又是热的不良导体 热量只能靠芯片下面的引脚散出 因此前后两方面都造成散热困难 影响了器件的性能和可靠性 铝基板绝缘层的热阻直接决定着铝基板的热阻大小 铝基板绝缘层厚度减薄 热阻相应减小 热传导能力增强 但绝缘强度相应降低 因此 功率模块使用什么厚度的绝缘层 首先取决于模块绝缘强度的需求 5 阻碍LED散热的主要因素 各种导热胶连接的热界面都存在界面热阻 并且导热胶的导热系数比较低 也影响着热量的传导 散热片的材质以及结构 安装方式直接影响着散热 35 6 散热问题为什么难以解决 与白炽灯等通用灯具不同 LED的发热是后向的 热量难以以传导 对流 红外辐射等形式散出 由于空间所限 散射组件体积不能太大 如散热翅 热管散热技术由于成本的限制 专业的散热技术一般不能采用 比如 半导体制冷技术由于可靠性的高要求 散热技术不能太复杂 不能有运动部件 比如 风扇冷却技术 1 热阻 热阻 热量传导通道上两个参考点之间的温度差与两点间热量传输速率的比值 其中 Rth 两点间的热阻 W或K W T 两点间的温度差 Qx 两点间热量传递速率 W 8 3LED热工模型 也可以 热流通道上的温度差与通道上耗散功率之比 LED的热阻定义 热传导模型的热阻计算 其中 L为热传导距离 m S为热传导通道的截面积 m2 为热传导系数 W mK LED的基本结构是一个半导体的P N结 一般把P N结区的温度定义为LED的结温 但LED的P N结区温度无法直接测量到 2 LED结温及计算方法 LED芯片很微小 其热容可忽略 输入电能中大部分 约85 转化为热量 一般计算中忽略转化为光的部分能量 约15 假设所有的电能都转变成了热 在LED工作热平衡后 Tj Ta RthjaPd 其中Rthja LED的PN结与环境之间的热阻 Pd If Vf If Vf LED的输入功率 1 简单计算过程 41 2020 4 24 2 分立LED热阻的计算模型 LED热通道上各环节都存在热阻 热通道的简化热工模型是串联热阻回路 PN结 反射腔 印刷板 空气 环境 Tj Ta Pd Rthja Ta Pd Rthjs Rthsb Rthba 42 2020 4 24 3 集成LED阵列热阻的计算模型 集成LED 假定热阻一致 阵列热阻利用并联阻抗模型计算 4 考虑电压温度系数的结温计算模型 Uf Tj2 Uf Tj1 k Tj 例题 某款灯 采用5颗cree产品XP G系列灯珠 单颗灯输入功率 IF 350mA UF 3 3V 测试环温Ta 25 时 测得铝基板焊盘处焊点温度为Tc 52 8 试计算此产品的结温温度 3 常见LED灯具散热热工模型 1 分立式LED光源组装的LED灯具散热情况的分析 分立式大功率LED结构示意图 散热路径示意图 分立式大功率LED主要的散热路径是 管芯 散热垫 印制板敷铜层 散热器 环境空气 若LED的结温为TJ 环境空气的温度为TA 散热垫底部的温度为Tc TJ Tc TA 从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为 RJA RJC RCB RBA 双层敷铜层散热结构 铝合金基敷铜板结构图 形铝型材散热片 2 带热管导热LED灯具散热情况的分析 从灯具光源发出的热量通过热管传递到散热片上 热管可以增加热传导速率 热管本身不具备散热能力 但是热量传递到散热片上后 还需要散热