LED燈珠散熱計算方法及公式

LED的熱量管理ThermalManagementConsiderationsforLEDs

2/4/20231LED是冷光源嗎？一、熱對LED的影響（1）LED的發(fā)光原理是電子與空穴經(jīng)過復合直接發(fā)出光子，過程中不需要熱量。LED可以稱為冷光源。

（2）LED的發(fā)光需要電流驅(qū)動。輸入LED的電能中，只有約15%有效復合轉(zhuǎn)化為光，大部分（約85%）因無效復合而轉(zhuǎn)化為熱。

（3）LED發(fā)光過程中會產(chǎn)生熱量，LED并非不會發(fā)熱的冷光源。

2/4/202322.熱對LED性能和結(jié)構(gòu)的影響

其中：Фv（Tj1）=結(jié)溫Tj1時的光通量

Фv（Tj2）=結(jié)溫Tj2時的光通量

ΔTj=Tj2-Tj1k=溫度系數(shù)

LED電致發(fā)光過程產(chǎn)生的熱量和工作環(huán)境溫度（Ta）的不同，引起LED芯片結(jié)溫Tj的變化。LED是溫度敏感器件，當溫度變化時，LED的性能和封裝結(jié)構(gòu)都會受到影響，從而影響LED的可靠性。

(1)

光通量與溫度的關(guān)系①光通量Фv與結(jié)溫Tj的關(guān)系Фv（Tj2）=Фv（Tj1）e-kΔTj2/4/20233AlInGaP類LED光輸出與結(jié)溫關(guān)系圖相對光輸出Tj（℃）橙紅色黃色紅色InGaN類LED光輸出與結(jié)溫關(guān)系圖相對光輸出綠色藍綠色藍色白色深藍色Tj（℃）2/4/20234②光通量與環(huán)境溫度的關(guān)系

Ta（℃）相對光通量橙紅色黃色Ta=100℃時，LED的光通量將下降至室溫時的一半左右。LED的應用必須考慮溫度對光通量的影響。

2/4/20235(2)波長與結(jié)溫Tj的關(guān)系

λd（Tj2）=λd（Tj1）+kΔTj白光LED色溫—結(jié)溫飄移曲線Tj（℃）CCT(K)白色k=Δλ/ΔTj:LED波長-結(jié)溫飄移率2/4/20236(3)正向壓降Vf結(jié)溫Tj的關(guān)系

Vf（Tj2）=Vf（Tj1）+kΔTj

k=ΔVf/ΔTj

：正向壓降隨結(jié)溫變化的系數(shù)，通常取-2.0mV/℃.

2/4/20237(4)熱對發(fā)光效率ηv的影響

在輸入功率一定時：熱量↑結(jié)溫Tj↑正向壓降Vf↓電流If↑熱量發(fā)光效率ηv

LED內(nèi)部會形成自加熱循環(huán)，如果不及時引導和消散LED的熱量，LED的發(fā)光效率將不斷降低。

(5)熱對LED出光通道的影響加速出光通道物質(zhì)的老化；降低通道物質(zhì)的透光率；改變出光通道物質(zhì)的折射率，影響光線的空間分布；嚴重時改變出光通道結(jié)構(gòu)。

2/4/20238(6)熱對LED電通道（歐姆接觸/固晶界面）的影響

環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線

引致封裝物質(zhì)的膨脹或收縮；

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。

2/4/20239(7)熱對LED壽命的影響

不同溫度下AlInGaPPowerLED老化測試結(jié)果測試時間（小時）相對光輸出實際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)實際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)實際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)不同溫度下InGaNPowerLED老化測試結(jié)果實際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)實際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)實際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)測試時間（小時）相對光輸出12/4/202310二、LED的熱工模型1.LED熱量的來源

輸入的電能中（約85%）因無效復合而產(chǎn)生的熱量；來自工作環(huán)境的熱量。

2.LED的熱工模型

LED芯片很微小，其熱容可忽略；輸入電能中大部分（約85%）轉(zhuǎn)化為熱量，一般計算中忽略轉(zhuǎn)化為光的部分能量（約15%），假設所有的電能都轉(zhuǎn)變成了熱；在LED工作熱平衡后，

Tj=Ta+RthjaPd

其中Rthja=LED的PN結(jié)與環(huán)境之間的熱阻;Pd=

If

·Vf：LED的輸入功率。

2/4/202311三、LED熱阻的計算

1.熱阻的概念

熱阻：熱量傳導通道上兩個參考點之間的溫度差與兩點間熱量傳輸速率的比值。

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）

熱傳導模型的熱阻計算其中：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）ST2T1L2/4/202312LED的熱阻計算

(LED工作熱平衡后Tj=Ta+ΔTj)

2/4/2023132.分立LED熱阻的計算模型LED熱通道上各環(huán)節(jié)都存在熱阻，熱通道的簡化熱工模型是串聯(lián)熱阻回路。

jabsRthjsRthsbRthbajsbRthja=Rthjs+Rthsb+Rthba

2/4/202314TjTsRthjsRthsb3.集成LED陣列熱阻的計算模型TbTaRthba集成LED（假定熱阻一致）陣列熱阻利用并聯(lián)阻抗模型計算：

2/4/2023154.幾種常見的1W大功率LED的熱阻計算以Emitter（1mm×1mm芯片）為例，只考慮主導熱通道的影響，從理論上計算PN結(jié)到熱沉的熱阻Rthjs。

2/4/202316A.正裝芯片/銀膠固晶

B.正裝芯片/共晶固晶

2/4/202317C.

Si襯底金球倒裝焊芯片/銀膠固晶

D.

Si襯底金球倒裝焊芯片/共晶固晶

2/4/202318F.AlN襯底共晶倒裝芯片/共晶固晶

E.AlN襯底共晶倒裝芯片/銀膠固晶

2/4/202319從以上計算可見：①固晶工藝對LED熱阻有較大影響；②倒裝芯片在導熱上比正裝芯片稍優(yōu)；③正裝芯片/共晶固晶在導熱上并不比倒裝芯片差；④目前實際制造的LED成品熱阻Rthjs比以上理論計算高出1倍左右，說明制造工藝水平還有很大的提升空間。

2/4/2023205.幾種常見LED的熱阻參考值6.熱阻對光輸出飽和電流的影響相對光通量輸入電流（mA）熱阻值越大，光輸出越容易飽和，飽和電流點越低。

2/4/202321四、LED熱阻的測量

1.理論依據(jù)半導體材料的電導率具有熱敏性，改變溫度可以顯著改變半導體中的載流子的數(shù)量。禁帶寬度通常隨溫度的升高而降低，且在室溫以上隨溫度的變化具有良好的線性關(guān)系?？梢哉J為半導體器件的正向壓降與結(jié)溫是線性變化關(guān)系。

ΔVf=kΔTj

（K：正向壓降隨溫度變化的系數(shù)）

只要監(jiān)測LED正向壓降Vf的改變，便可以確定其熱阻。

2/4/2023222.電壓法測量LED熱阻（1）測量LED溫度系數(shù)k

①將LED置于溫度為Ta

的恒溫箱中足夠時間至熱平衡，Tj1=

Ta

；②用低電流（可以忽略其產(chǎn)生的熱量對LED的影響）If’=1mA,快速點測LED的Vf1；③將LED置于溫度為Ta’(Ta’>Ta)的恒溫箱中足夠時間至熱平衡，Tj2=

Ta’；④重復步驟②，測得Vf2；⑤2/4/202323（2）測量LED在輸入電功率加熱狀態(tài)下的Vf變化

①將LED置于溫度為Ta的恒溫箱中，給LED輸入電功率Pd，使其產(chǎn)生自加熱；②維持If恒定足夠時間，至LED工作熱平衡，此時Vf達至穩(wěn)定，記錄If、Vf；③測量LED熱沉溫度Ts(取最高點)；④切斷輸入電功率的電源，立即（<10ms）進行（1）之②步驟，測量Vf3。2/4/202324（3）數(shù)據(jù)處理

3.LED的波長隨結(jié)溫的變化也有良好的線性關(guān)系：Δλ=

kΔTj，可以用類似的手段通過波長漂移法測量熱阻，但難度較電壓法稍大。

2/4/202325五、LED的結(jié)溫Tj

1.常用的結(jié)溫測算方法

LED的結(jié)溫TJ無法直接測量，只能通過間接的方式進行測量估算。

（1）熱影像法

用精密熱影像儀聚焦LED芯片PN結(jié)層面，拍攝熱影像，對應出Tj。

（2）熱阻測量法Tj=Ta+RthjaPd

2/4/2023262.LED的最大額定結(jié)溫Tjmax：（常見大功率LED的最大額定結(jié)溫：120℃；LuxeonK2：185℃）（1）應用中的環(huán)境溫度Ta應低于最大環(huán)境溫度Tamax

Tamax=Tjmax-RthjaPd（2）為保證LED在使用中結(jié)溫不超出Tjmax，在不同的環(huán)境溫度（Ta）下，計算并確保輸入電流不超出Ifmax：

為確保LED工作的可靠性，在應用中LED的結(jié)溫應盡可能低于最大額定結(jié)溫Tjmax。2/4/202327Ta（℃）Ifmax(mA)AlInGaP類大功率LEDInGaN類大功率LEDIfmax(mA)Ifmax(mA)Ta（℃）Ta（℃）電流降級曲線小功率LED2/4/2023283.降低LED結(jié)溫的途徑（1）減少LED本身的熱阻；

（2）良好的二次散熱機構(gòu)；（3）減少LED與二次散熱機構(gòu)安裝界面之間的熱阻；（4）控制額定輸入功率Pd；（5）降低環(huán)境溫度Ta。2/4/202329六、降低LED熱阻的途徑

1.降低芯片的熱阻2.優(yōu)化熱通道

（1）通道結(jié)構(gòu)

（2）通道材料——導熱系數(shù)λ越大越好;（3）改良封裝工藝，令通道環(huán)節(jié)間的界面接觸更緊密可靠。

長度（L）越短越好；

面積（S）越大越好；

環(huán)節(jié)越少越好；

消除通道上的熱傳導瓶頸。

3.強化電通道的導/散熱功能4.選用導/散熱性能更高的出光通道材料2/4/202330七、LED應用中的導熱和散熱1.依LED結(jié)溫TJ的要求設計二次散熱機構(gòu)①取得正確的LED熱阻值Rthjs或Rthjb；②評估LED工作時可能遭遇的最高環(huán)境溫度Tamax；③為使LED可靠地工作，最好將LED正常工作時的最大結(jié)溫T’jmax設定低于LED結(jié)溫的最大額定值Tjmax；④確定不超出額定功率的最大輸入功率Pdmax；

⑤

⑥計算二次散熱機構(gòu)容許的最大熱阻Rthsa=Rthja-Rthjs

,Rthba=Rth