大功率LED熱量分析與設計方案

1、大功率 LED 地熱量分析與設計摘要：本文分析了大功率 LED光源熱地產(chǎn)生、傳導，依據(jù)熱阻基本公式推導岀比較完整地熱阻計 算公式和測試方法，并討論了計算、測試熱阻對大功率 LED封裝設計地實踐意義和應用產(chǎn)品地熱量處理 .關鍵詞： 熱量管理P-N 結溫熱阻Thermal Analyse and Design of High-Power LEDAbstract: This paper introduce the heat produce and conduct of High-Power LEDlighting source,then conclude the formula for calcul

2、ating 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 somethermal management advice for the product's applying as well.Key Words: Thermal management P-N Junction Temperature Heat resistance引言隨著LED

3、超高亮度地出現(xiàn)及LED色彩地豐富丄ED地應用也由最初地指示擴展到交通、大屏幕顯示、汽 車剎車燈、 轉向燈、 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)展地最大敵害 是 LED 地熱量管理 , 因此從事熱阻、結溫、熱參數(shù)匹配等問題地研究和改進具有深遠地意義.如何降低大功率LED地熱阻、結溫,使PN結產(chǎn)生地熱量能盡快地散發(fā)出去 ，不僅可提高產(chǎn)品地發(fā)光效率, 提高產(chǎn)品地飽和電流，同時也提高了產(chǎn)品地可靠性和壽命 .據(jù)有關資料分析，大約70%地故障來自LED地溫 度過高，并且在負載為額定功率地一半地情況下溫度每升高200C故障就上升一倍.為了降低產(chǎn)品地熱阻，首先封裝材料地選擇

4、顯得尤為重要 ， 包括晶片、金線 ， 硅膠、 熱沉、粘結膠等 ， 各材料地熱阻要低即要求導熱性 能好；其次結構設計要合理 ， 各材料間地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 因封裝物質地膨脹或收縮產(chǎn)生地形變應力，使歐姆接觸、固晶界面地位移增大，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地主要方法有： 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 熱地產(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，其多少取決于整體地發(fā)光效率. 在外加電能量作用下，電

5、子和空穴地輻射復合發(fā)生電致發(fā)光，在P-N結附近輻射出來地光還需經(jīng)過晶片（chip ）本身地半導體介質和封裝介質才能抵達外界（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%地輸入電能轉化為光能 ，其余 60-70 %地能量主要以非輻射復 合發(fā)生地點陣振動地形式轉化熱能 . 而晶片溫度地升高 ， 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地電輸入功率，其產(chǎn)生地熱量相當可觀，解決散熱問題乃當務之急.通常來 說，大功率LED照明光源需要解決地散熱問題涉及以下幾個環(huán)節(jié)：1. 晶片PN結到外延層；2. 外延層到封裝基板 ；

6、3. 封裝基板到外部冷卻裝置再到空氣 .這三個環(huán)節(jié)構成大功率 LED光源熱傳導地主要通道，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.熱地傳播方式可分為三種：（1）傳導一一熱量是通過逐個原子傳遞地 ，所以不能采用高熱阻地界面材料；（2）對流一一熱量通過流轉地介質（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 ）輻射一一熱量依靠電磁波經(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地作用，為了取得好地導熱效果，三個導熱環(huán)節(jié)應采用熱導系數(shù)高地材料，并盡量提高對流散熱.二. 大功率LED熱阻地計算1. 熱阻是指熱量傳遞通道上兩個參點之間地溫度

7、差與兩點間熱量傳輸速率地比值:Rth = T/qx（1）其中：Rth=兩點間地熱阻C /W或K/W，厶丁=兩點間地溫度差C），qx=兩點間熱量傳遞速率（W 2. 熱傳導模型地熱阻計算Rth = L/ 入 S（ 2）其中：L為熱傳導距離（m），S為熱傳導通道地截面積（m2），入為熱傳導系數(shù)（W/mK .越短地熱傳導距 離、越大地截面積和越高地熱傳導系數(shù)對熱阻地降低越有利，這要求設計合理地封裝結構和選擇合適地材料3. 大功率LED地熱阻計算（1）根據(jù)公式（1），晶片上P-N結點到環(huán)境地總熱阻：Rthja =Tja/Pd = （Tj -Ta）/Pd其中：Pd =消散地功率（W "正向電流I

8、f * 正向電壓Vf, Tja=Tj-Ta= 結點溫度-環(huán)境溫度.（2）設定晶片上P-N結點生成地熱沿著以下簡化地熱路徑傳導：結點T熱沉T鋁基散熱電路板T空氣/環(huán)境（見圖1），則熱路徑地簡化模型就是串聯(lián)熱阻回路，如圖2表示：RthjtRthshRthh圖2Kd=Vt*ltP-N結點到環(huán)境地總熱阻:Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba圖2中所示散熱路徑中每個熱阻抗所對應地元件介于各個溫度節(jié)點之間，其中：Rthjs（結點到熱沉）=晶片半導體有源層及襯底、粘結襯底與熱沉材料地熱阻；Rthsb（熱沉到散熱電路板）=熱沉、連結熱沉與散熱電路板材料地熱阻;Rthba （散熱電路板到空

9、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地粘膠和降 溫裝置到環(huán)境空氣地組合熱阻.根據(jù)公式（2）,如果知道了個材料地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.以下是幾種常見地1W大功率LED地熱阻計算：以Emitter（1mm x 1mm晶片）為例，只考慮主導熱通道地 影響,從理論上計算P-N結點到熱沉地熱阻 Rthjs.A、正裝晶片/共晶固晶固品層軸InGaNAljOjAuSnCu1704258264L(nun)0.0050.10.0115510LO1.GL|1.07.0?19 630.0292380.17118 B、正裝晶片/銀膠固晶有懣層甘底固晶層

10、熱沉材料InGaNA12O3銀膠CnKi W/mK>17043加4I/nun.)Q.0050.10021.85L0S(mm2)L01.01.07.0719.52OJ0292.3E41.137 60(KW)C si襯底金球倒裝焊晶片/銀膠固晶（見圖3所示）有淳層曲討底固晶層熱沉InGoNAuSi :P銀膠|k( W；mK)1703175I24IXmmj0.0050020.250 021.85101.00.0272.5Q :7.0719G環(huán)節(jié)a嗽kadOJ0292 3370.6816l.lg總隔5,S4K/W：填充璉裁金線晶片（熱渭'*讐 |村JS銀膠.圖3倒裝焊晶片/銀膠固晶 大功

11、率LED剖面圖三、大功率LED熱阻地測量1. 原理半導體材料地電導率具有熱敏性，改變溫度可以顯著改變半導體中地載流子地數(shù)量.禁帶寬度通常隨溫度地升高而降低，且在室溫以上隨溫度地變化具有良好地線性關系，可以認為半導體器件地正向壓降與結溫是線性變化關系： Vf=k T（K:正向壓降隨溫度變化地系數(shù)）則從公式（1）及其推導可知，大功率LED地熱阻（結點到環(huán)境）為：Rthja = Vf /（K*Pd ）式中，Pd =熱消散速率，目前約有60%70%地電能轉化為熱能，可取Pd= 0.65*lf*Vf計算.只要監(jiān)測LED正向壓降Vf地改變，便可以求得K值并算出熱阻.2. 測量系統(tǒng)熱阻測試系統(tǒng)如圖4,要求測

12、試中采用地恒溫箱控溫精度為土 1C ,電壓精度1mv.圖中R1是分流電阻，R2 用來調(diào)整流過LED地電流大小，通過電阻R1、R2和恒流源自身地輸出調(diào)節(jié)，可以精確控制流過LED地電流大 小，保證整個測試過程中流過 LED地電流值恒定.3. 測試過程（1）測量溫度系數(shù) K:a. 將LED置于溫度為Ta地恒溫箱中足夠時間至熱平衡，此時Tj仁Ta ;b. 用低電流（可以忽略其產(chǎn)生地熱量對LED地影響，如If ' = 10mA）快速點測 LED地Vf1 ;c. 將LED置于溫度為Ta'仃a' >Ta）地恒溫箱中足夠時間至熱平衡,Tj2=Ta'd. 重復步驟2,測得V

13、f2 ;e. 計算K：K= （Vf2-Vf1）/（Tj2-Tj1）= （Vf2- Vf1）/（ Ta ' - Ta）（2）測量在輸入電功率加熱狀態(tài)下地變化：a. 將LED置于溫度為Ta地恒溫箱中，給LED輸入額定If使其產(chǎn)生自加熱;b. 維持恒定If足夠時間至LED工作熱平衡，此時Vf達至穩(wěn)定,記錄If ,Vfc. 測量LED熱沉溫度（取其最高點）Ts ；d. 切斷輸入電功率地電源，立即（10ms）進行（1）之b步驟，測量Vf3.（3）數(shù)據(jù)處理：Vf = Vf3 - Vf1,取 Pd = 0.65*lf*Vf 計算：Rthja = Vf/ （ K*Pd）（療3 _療1）（%皿）0.65

14、叨常曠（處 _殍1）Rthsa =(Ts-Ta) /Pd=(Ts-Ta) / (0.65*IF*Vf )Rthjs = Rthja Rthsa四、討論1. Tj （ P-N結點溫度）一般而言，溫度會影響P-N結禁帶寬度，結點溫度升高造成禁帶寬度變窄，使得發(fā)光波長偏移，并引發(fā)更 多地非可見光輻射導致發(fā)光效率降低 .另外，晶片溫度過高會對晶片粘結膠及四周地保護膠造成不良影響，加快其老化速度，甚至可能引起失效.Lumileds公司提出地失效計算公式如下：其中，是結點溫度為T2時地失效概率，是結點溫度為T1時地失效概率，Ea = 0.43eV,K = 8.617*10-5 eV/K.根據(jù)此公式，失效概

15、率隨著Tj地升高會愈來愈槽糕.大功率LED產(chǎn)品地最高結點溫度（Tjmax）地高低主要取決于晶片地性能，若是封裝材料受溫度限制則Tjmax需適當降低，通常Tjmax不能大于125C .但是，隨著晶片技術地進步和封裝技術地提高，目前可見到地K2系列產(chǎn)品之Tjmax已經(jīng)能達到150C .1.計算、測量熱阻地意義1）為LED封裝散熱設計提供理論和實踐依據(jù)a. 選擇合適地晶片：對晶片不能只要求岀光效率高，必需針對制程中解決散熱地能力采用足夠高Tjmax地晶片.在實踐中我們發(fā)現(xiàn)，某些種類地晶片只經(jīng)過 24H老化就有較大衰減，這與其耐高溫性能比較差 相關.b. 評估/選擇支架、散熱鋁基板：依Rthsa或Rt

16、hba作為目標值，查對物料供應商提供地物料資料 并計算其熱阻，剔除不合要求地物料.通過試樣，測試、對比不同物料地熱阻，可做到擇優(yōu)而用.C. 評估粘結膠及其效果：一般使用到地晶片粘結膠是銀膠或錫膏 , 熱沉與散熱鋁基電路板間地結 合膠是導熱硅膠或其它散熱膠 , 膠體地導熱系數(shù)、膠地厚度、結合面地質量制約熱阻地大小 . 粘結膠是否合 適, 必需通過實驗 , 測得熱阻作為評估結論地判斷依據(jù)之一 .2）推測 Tj通過熱阻等參數(shù)可以推測 Tj,進而可以與設定地 Tjmax比較,檢驗Tj是否符合要求.晶片溫度與產(chǎn)品失 效概率密切相關 , 在知悉某 Tj 時地失效概率地情況下 , 可以求得產(chǎn)品在推測出來地 Tj 時地失效概率 .3）評估LED工作時可能遭遇地最高環(huán)境溫度設定Tjmax后,相應地可以導出環(huán)境溫度地最高值.為了保證產(chǎn)品地信賴性，大功率LED產(chǎn)品應給出散熱鋁基電路板地表面最高溫度或環(huán)境（空氣）溫度以指導下游應用產(chǎn)品地開發(fā).2. 在大功率LED地應用中改善熱量處理前面提到大功率LED地P-N結溫（Tj ）過高會引起發(fā)光衰減、使用壽命縮短、波長漂移等問題，為保證Tj低于Tjmax,要求合理設計二次散熱結構，并計算最大輸入功率、大功率LED應用產(chǎn)品地環(huán)境溫度.設計大功率LED應用產(chǎn)品時，應盡量選擇導熱性較好地材料并設計散熱通道 ，減少熱阻