大功率LED的熱量分析與設(shè)計(jì)

三、大功率LED熱阻的測量

1. 原理

半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率具有熱敏性，改變溫度可以顯著改變半導(dǎo)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，可以認(rèn)為半導(dǎo)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)）
則從公式（1）及其推導(dǎo)可知，大功率LED的熱阻（結(jié)點(diǎn)到環(huán)境）為：
Rthja＝ΔVf /（K*Pd ）
式中， Pd＝熱消散速率，目前約有60％～70％的電能轉(zhuǎn)化為熱能，可取Pd＝0.65*If*Vf計(jì)算。
只要監(jiān)測LED正向壓降Vf的改變，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，要求測試中采用的恒溫箱控溫精度為±1℃，電壓精度1mv。圖中R1是分流電阻，R2用來調(diào)整流過LED的電流大小，通過電阻R1、R2和恒流源自身的輸出調(diào)節(jié)，可以精確控制流過LED的電流大小，保證整個測試過程中流過LED的電流值恒定。

3. 測試過程
（1）測量溫度系數(shù)K：
a. 將LED置于溫度為Ta的恒溫箱中足夠時間至熱平衡,此時Tj1= Ta ；
b. 用低電流（可以忽略其產(chǎn)生的熱量對LED的影響，如If’ = 10mA）快速點(diǎn)測LED的Vf1；
c. 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’；
d. 重復(fù)步驟2，測得Vf2；
e. 計(jì)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)下的變化：
a. 將LED置于溫度為Ta的恒溫箱中，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(dá)至穩(wěn)定，記錄If ,Vf；
c. 測量LED熱沉溫度（取其最高點(diǎn)）Ts；
d. 切斷輸入電功率的電源，立即（〈10ms）進(jìn)行（1）之b步驟，測量Vf3。
（3）數(shù)據(jù)處理：△Vf＝ Vf3－Vf1，
取Pd＝0.65*If*Vf計(jì)算：Rthja＝△Vf/（K*Pd）Rthsa＝（Ts－Ta）/Pd＝（Ts－Ta）/（0.65*IF*Vf）Rthjs＝Rthja－Rthsa

四、討論
1. Tj （P-N結(jié)點(diǎn)溫度）
一般而言，溫度會影響P-N結(jié)禁帶寬度，結(jié)點(diǎn)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)更多的非可見光輻射導(dǎo)致發(fā)光效率降低。另外，晶片溫度過高會對晶片粘結(jié)膠及四周的保護(hù)膠造成不良影響，加快其老化速度，甚至可能引起失效。Lumileds公司提出的失效計(jì)算公式如下：

其中， 是結(jié)點(diǎn)溫度為T2時的失效概率，是結(jié)點(diǎn)溫度為T1時的失效概率，EA＝ 0.43eV，K＝8.617*10-5 eV/K。根據(jù)此公式，失效概率隨著Tj的升高會愈來愈槽糕。
大功率LED產(chǎn)品的最高結(jié)點(diǎn)溫度（Tjmax）的高低主要取決于晶片的性能，若是封裝材料受溫度限制則Tjmax需適當(dāng)降低，通常Tjmax不能大于125℃。但是，隨著晶片技術(shù)的進(jìn)步和封裝技術(shù)的提高，目前可見到的K2系列產(chǎn)品之Tjmax已經(jīng)能達(dá)到150℃。
1. 計(jì)算、測量熱阻的意義
1） 為LED封裝散熱設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)踐依據(jù)

a. 選擇合適的晶片：對晶片不能只要求出光效率高，必需針對制程中解決散熱的能力采用足夠高

Tjmax的晶片。在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，某些種類的晶片只經(jīng)過24H老化就有較大衰減，這與其耐高溫性能比較差相關(guān)。

b. 評估/選擇支架、散熱鋁基板：依Rthsa或Rthba作為目標(biāo)值，查對物料供應(yīng)商提供的物料資料并計(jì)算其熱阻，剔除不合要求的物料。通過試樣，測試、對比不同物料的熱阻，可做到擇優(yōu)而用。

C. 評估粘結(jié)膠及其效果：一般使用到的晶片粘結(jié)膠是銀膠或錫膏，熱沉與散熱鋁基電路板間的結(jié)合膠是導(dǎo)熱硅膠或其它散熱膠，膠體的導(dǎo)熱系數(shù)、膠的厚度、結(jié)合面的質(zhì)量制約熱阻的大小。粘結(jié)膠是否合適，必需通過實(shí)驗(yàn)，測得熱阻作為評估結(jié)論的判斷依據(jù)之一。

2） 推測Tj

通過熱阻等參數(shù)可以推測Tj，進(jìn)而可以與設(shè)定的Tjmax比較，檢驗(yàn)Tj是否符合要求。晶片溫度與產(chǎn)品失效概率密切相關(guān)，在知悉某Tj時的失效概率的情況下，可以求得產(chǎn)品在推測出來的Tj時的失效概率。
3） 評估LED工作時可能遭遇的最高環(huán)境溫度

設(shè)定Tjmax后，相應(yīng)地可以導(dǎo)出環(huán)境溫度的最高值。為了保證產(chǎn)品的信賴性，大功率LED產(chǎn)品應(yīng)給出散熱鋁基電路板的表面最高溫度或環(huán)境（空氣）溫度以指導(dǎo)下游應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)。

2. 在大功率LED的應(yīng)用中改善熱量處理

前面提到大功率LED的P-N結(jié)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(shè)計(jì)二次散熱結(jié)構(gòu),并計(jì)算最大輸入功率、大功率LED應(yīng)用產(chǎn)品的環(huán)境溫度。
設(shè)計(jì)大功率LED應(yīng)用產(chǎn)品時，應(yīng)盡量選擇導(dǎo)熱性較好的材料并設(shè)計(jì)散熱通道，減少熱阻薄弱環(huán)節(jié)。使用過程中，對于Ta較高的環(huán)境，在無法減小熱阻的情況下，可適當(dāng)降低輸入電功率，即減少Pd值，犧牲亮度以保證信賴性。

五、總結(jié)

通過對大功率LED熱的產(chǎn)生、熱阻、結(jié)溫概念的理解和理論公式的推導(dǎo)及熱阻測量，我們可以指導(dǎo)大功率LED的實(shí)際封裝設(shè)計(jì)、評估和產(chǎn)品應(yīng)用。需要說明的是，文中說明的電壓法測量熱阻方法簡單但操作上有一定難度，需反復(fù)實(shí)驗(yàn)、修正。熱量管理是在LED產(chǎn)品的發(fā)光效率不高的現(xiàn)階段的關(guān)鍵問題，從根本上提高發(fā)光效率以減少熱能的產(chǎn)生才是釜底抽薪之舉，這需要晶片制造、LED封裝及應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)技術(shù)的進(jìn)步。