LED及相關(guān)熱管理

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 LED及相關(guān)熱管理 LED作為一種新型的半導(dǎo)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(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，本文將介紹LED半導(dǎo)體光源的一些特點及相關(guān)熱管理（Thermal management）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(dǎo)熱石墨及鋁散熱器應(yīng)用的比照的初步實驗結(jié)果，供讀者參考。 LED半導(dǎo)體光源的特點 與白熾燈、傳統(tǒng)日光燈及鹵素?zé)舨煌?，LED半導(dǎo)體光源是用半導(dǎo)體材料制成的，由一PN構(gòu)造成，空穴電子對復(fù)合產(chǎn)生光，工作在PN結(jié)的正向，P區(qū)為正（陽）極，N區(qū)為負(fù)（陰）極。LED半導(dǎo)體光源體積小、發(fā)光效率高，響應(yīng)時間短、節(jié)能。

2、此外，它還有傳統(tǒng)光源所沒有的特點： 1. 與一般PN結(jié)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(fù)溫度系數(shù)，隨溫度升高而減少； 反向時，無電流不工作。 2. 像所有半導(dǎo)體器件一樣其工作溫度要受以下一些因素的制約： 結(jié)溫必須保持在額定值95 ?C125 ?C以下（視發(fā)光器件而異），否則將引起失效； 如下表面有塑料透鏡的，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(guān)，而在結(jié)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（Light degradation）和整體失效（Total fail

3、ure）。當(dāng)發(fā)射光降至其初始值的50時發(fā)生光衰變；除超過允許結(jié)溫引起整體失效外，整體失效的發(fā)生還由于內(nèi)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(chǎn)生的應(yīng)力使內(nèi)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(dāng)年晶體管取代電子管在電子電路中應(yīng)用時的情景，由于作為半導(dǎo)體器件的晶體管對溫度的敏感性，在應(yīng)用伊始，一些過去熟悉電子管應(yīng)用的工程技術(shù)人員認(rèn)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(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，采用溫度補償和負(fù)反應(yīng)抑制溫度漂移和

4、穩(wěn)定工作點等方法，己使晶體管及半導(dǎo)體集成電路技術(shù)成為今天電子信息技術(shù)的技術(shù)。在光源技術(shù)領(lǐng)域，LED的應(yīng)用技術(shù)也必將經(jīng)歷如何揚長避短這一過程。 熱管理設(shè)計與“熱歐姆定律” 開展熱管理設(shè)計的目的是： 確保器件在合適的條件下工作，以到達(dá)高可靠性； 防止在超應(yīng)力條件下驅(qū)動，延長LED的工作壽命； 在可能電流下工作，以提高光輸出性能。 熱管理的要點是：通過導(dǎo)熱和散熱使LED工作溫度保持在合理的范圍內(nèi)。通常依靠熱傳導(dǎo)將LED的熱量導(dǎo)向散熱片，再將“埋在”散熱片中的熱量散發(fā)出去，這一“導(dǎo)”一“散”非常重要，缺一不可，且散熱不僅要依靠傳導(dǎo)還要靠對流和輻射等方式。 在開展熱管理分析時，常用的基本定律是熱流定律即

5、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(yīng)用者稱為“熱歐姆定律”(實際上此定律與歐姆無關(guān))。 這里Rth表示熱阻，表征熱流傳輸?shù)淖枇?。單位?C/W； Po為熱流，即單位時間傳輸?shù)臒崃縋o=Q (熱量)/t (時間)，量綱與功率相同。 T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(guān)結(jié)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(guān)

6、節(jié)點的溫度及溫差。 在歐姆定律中，串聯(lián)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*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(jié)溫Tj； 判別相關(guān)結(jié)點間的散熱效果，熱阻大??； *估使用不同材質(zhì)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(jié)點分別是： 芯片PN結(jié)的結(jié)點溫度Tj ，應(yīng)小于產(chǎn)品規(guī)定的額定值，以使其工作在安全范圍內(nèi)。 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(chǎn)生的散出來，使結(jié)溫Tj保持在合

7、理安全的數(shù)值，以期獲得器件允許的正向電流If得到的發(fā)光效果是關(guān)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封裝構(gòu)造(SMD型)LED的結(jié)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(nèi)部構(gòu)造圖和靜態(tài)等效熱路。 圖1 SMD型LED內(nèi)部構(gòu)造圖 圖中箭頭所指為熱流傳輸路徑。 圖2 SMD型 LED靜態(tài)等效熱路圖 在此靜態(tài)等效熱路中，內(nèi)部熱阻由4部份串聯(lián)而成，即內(nèi)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(yīng)用條件所決定，如LED組裝在PCB板上，則其外部熱阻=焊盤熱阻+

8、PCB熱阻。 Po為熱流，Tj為結(jié)溫，Ts為焊點溫度，Ta為環(huán)境界面溫度。 2. 結(jié)溫檢測及估算 對某一(LAE67B)SMT封裝構(gòu)造的LED，用點溫計測得焊點溫度Ts=70 ?C 同時測得外加正向電壓U為2.1V，正向電流為50mA。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中查得LAE67B的熱阻值為130 ?C /W，并假設(shè)電功率全部轉(zhuǎn)換為熱流，按“熱歐姆定律”計算： Tj=130130 ?C /W *50mA*2.1V+70 ?C =83.7 ?C 實際結(jié)溫Tj小于允許結(jié)溫125uC，工作是安全的。 3. 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

9、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。本例如僅是初步的實驗。 實驗中，對同一LED，分別選用鋁及導(dǎo)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(jié)果說明；由于導(dǎo)熱石墨材料的熱阻遠(yuǎn)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(jīng)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(jié)語 本文介紹了對LED開展熱管理設(shè)計的重要性、目的要求、設(shè)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(guān)，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(dǎo)熱通道；芯片釋放的能量等。雖然開展熱管理設(shè)計、實施的要點是LED熱量的一“導(dǎo)”一“散”降低各部份的熱阻。但還是涉及到諸多方面： 防止外界熱量傳至LED結(jié)合點，使Ta溫度升高(如將驅(qū)動電路和LED電路板隔開)； LED焊盤設(shè)計