LED半導體光源的特點及相關熱管理

LED半導體光源的特點及相關熱管理led作為一種新型的半導體光源己愈來愈受到業(yè)界的重視，LED燈和背光源己在多領域得到廣泛的應用，本文將介紹LED半導體光源的一些特點及相關熱管理（Thermalmanagement）的目的、要點、“熱歐姆定律”、熱流傳輸及節(jié)點溫度檢測分析方法、導熱石墨及鋁散熱器應用的對比的初步實驗結果，供讀者參考。LED半導體光源的特點與白熾燈、傳統(tǒng)日光燈及鹵素燈不同，LED半導體光源是用半導體材料制成的，由一PN結構成，空穴—電子對復合產生光，工作在PN結的正向，P區(qū)為正（陽）極，N區(qū)為負（陰）極。LED半導體光源體積小、發(fā)光效率高，響應時間短、節(jié)能。此外，它還有傳統(tǒng)光源所沒有的特點：與一般PN結器件（如二極管）類似的特性：?正向（forward）電壓必須超過一定的閾值才有電流；?正向電壓和正向電流均為負溫度系數，隨溫度升高而減少；?反向時，無電流不工作。像所有半導體器件一樣其工作溫度要受以下一些因素的制約：?結溫必須保持在額定值95oC?125oC以下（視發(fā)光器件而異），否則將引起失效；? 如表面有塑料透鏡的，還將受透鏡材料熔點溫度的限制；?LED的亮度與正向電流相關，而在結溫超過一定值后正向電流減小，亮度減弱。通常LED的失效模式有二種可能：光衰變（Lightdegradation）和整體失效（Totalfailure）。當發(fā)射光降至其初始值的50％時發(fā)生光衰變；除超過允許最高結溫引起整體失效外，整體失效的發(fā)生還由于內部開路所致，這包括：芯片與引線框架之間，芯片與鍵合絲之間，以及鍵合絲與引線框架之間等。失效原因之一是LDE樹脂玻璃透鏡超溫，再軟化，再冷卻后產生的應力使內部發(fā)生開路。使用者了解這些特性十分重要，特別是其熱特性。這不禁使筆者想起當年晶體管取代電子管在電子電路中應用時的情景，由于作為半導體器件的晶體管對溫度的敏感性，在應用伊始，一些過去熟悉電子管應用的工程技術人員認為晶體管雖然有許多優(yōu)點，但其可靠性不如電子管，然而新生事物的力量是不可阻擋的，隨著應用技術的進步，采用溫度補償和負反饋抑制溫度漂移和穩(wěn)定工作點等方法，己使晶體管及半導體集成電路技術成為今天電子信息技術的核心技術。在光源技術領域，LED的應用技術也必將經歷如何揚長避短這一過程。熱管理設計與“熱歐姆定律”進行熱管理設計的目的是：?確保器件在合適的條件下工作，以達到高可靠性；?防止在超應力條件下驅動，延長LED的工作壽命；?在最大可能電流下工作，以提高光輸出性能。熱管理的要點是：通過導熱和散熱使LED工作溫度保持在合理的范圍內。通常依靠熱傳導將LED的熱量導向散熱片，再將“埋在”散熱片中的熱量散發(fā)出去，這一“導”一“散”非常重要，缺一不可，且散熱不僅要依靠傳導還要靠對流和輻射等方式。在進行熱管理分析時，常用的基本定律是熱流定律即所謂“熱歐姆定律”。在分析電流傳輸時，歐姆建立了眾所周知的歐姆定律即：U=R*I，這里R為電阻，I為電流，U為電阻R兩端的電位差。而在熱流傳輸時有形式上與其相似形式的定律即：△T=Rth*Po也被一些應用者稱為“熱歐姆定律”（實際上此定律與歐姆無關）。這里Rth表示熱阻，表征熱流傳輸的阻力。單位為oC/W；Po為熱流，即單位時間傳輸的熱量Po=Q（熱量）/t（時間），量綱與功率相同?！鱐表示熱流傳輸途中兩點間的溫差，即此兩點間熱阻上的溫差。在檢測電子電路時我們常用萬用表檢測相關結點的電位和電位差即電壓。而在檢測熱流傳輸時則可用點溫計、熱電偶及及紅外熱像儀來檢測熱流傳輸路徑上相關節(jié)點的溫度及溫差。在歐姆定律中，串聯電路中電流處處相等，而熱流傳輸則并不如此，在某些點會因為熱阻過大而使熱流傳輸受阻，使熱量積聚。用“熱歐姆定律”可以檢測和估算的有：?類似于電路分析中建立等效電路，在熱流分析時亦可建立等效熱流路徑圖。?檢測和估算LED結溫Tj；?判別相關結點間的散熱效果，熱阻大??；?評估使用不同材質散熱器時LED工作狀態(tài)的優(yōu)劣。在熱流分析時有幾個重要的溫度結點分別是：?芯片PN結的結點溫度Tj，應小于產品規(guī)定的額定值，以使其工作在安全范圍內。?焊點溫度Ts，即LED引出端與基座板焊盤處的溫度。?散熱器片與外環(huán)境界面溫度Ta要使熱源LED產生的散出來，使結溫Tj保持在合理安全的數值，以期獲得器件允許的最大正向電流If得到最高的發(fā)光效果是關鍵所在。分析實例這里要介紹的三實例是：熱流圖的建立、計算某SMT封裝結構（SMD型）LED的結溫Tj,以及使用不同散片材料對LED性能影響的初步實驗。1．等效熱流圖圖1和圖2分別為SMT封裝（即SMD型）LED內部結構圖和靜態(tài)等效熱路。

C3填充料焊盤鋁板焊料JC3填充料焊盤鋁板焊料J芯片 鍵合絲引線 \ /圖1SMD型LED內部結構圖圖中箭頭所指為熱流傳輸路徑。R總R內R外R^R2R3R5Re&Po內部熱阻R總R內R外R^R2R3R5Re&Po內部熱阻特定應用時熱阻化芯片蕊鑑輯焊盤PCB圖2SMD型LED靜態(tài)等效熱路圖在此靜態(tài)等效熱路中，內部熱阻由4部份串聯而成，即內部熱阻=芯片熱阻+芯片鍵合（附著）熱阻+引線框熱阻+焊點熱阻。外部熱阻由特定應用條件所決定，如LED組裝在PCB板上，則其外部熱阻=焊盤熱阻+PCB熱阻。Po為熱流，Tj為結溫，Ts為焊點溫度，Ta為環(huán)境界面溫度。結溫檢測及估算：對某一（LAE67B）SMT封裝結構的LED,用點溫計測得焊點溫度Ts=70oC同時測得外加正向電壓U為2.1V，正向電流為50mA。在產品數據手冊中查得LAE67B的熱阻值130oC/W,并假設電功率全部轉換為熱流，按“熱歐姆定律”計算：Tj=130130oC/W*50mA*2.1V+70oC=83.7oC實際結溫Tj小于最高允許結溫125oC,工作是安全的。使用不同散熱片材料對LED性能影響的初步實驗從前述分析可以看出，溫度對LED的發(fā)光性能、壽命及可靠性都有很大影響，散熱效果對了的LED性能的影響是一個涉及面很廣研討課題。本示例僅是初步的實驗。實驗中，對同一LED，分別選用鋁及導熱石墨散熱器散熱，加相同正向電壓，記錄正向電流值、焊點溫度及照度值。實驗結果表明；由于導熱石墨材料的熱阻遠小于鋁，LED點亮后在較低電流下石墨散熱器處溫度Ta升溫速率快，經過一段時間平衡后略高于鋁板散熱器處溫度，前者亮度也略高，在長時間開啟和較大電流工作情況下，差異逐漸明顯。結語本文介紹了對LED進行熱管理設計的重要性、目的要求、設計管理要點、檢測分析方法和實例分析。LED燈的整體失效和光衰耗均與溫度有關，影響的因素有：LED周邊環(huán)境溫度；在LED接合點和外部間的導熱通道；；芯片釋放的能量等。雖然進行熱管理設計、實施的要點是LED熱量的一“導”一“散”降低各部份的熱阻。但還是涉及到諸多方面：? 避免外界熱量傳至LED結合點，使Ta溫度升高（如將驅動電路和LED電路板隔開）；?