LED灯珠散热计算方法及公式

2020/1/171LED的热量管理ThermalManagementConsiderationsforLEDs22020/1/171.LED是冷光源吗？一、热对LED的影响（1）LED的发光原理是电子与空穴经过复合直接发出光子，过程中不需要热量。LED可以称为冷光源。（2）LED的发光需要电流驱动。输入LED的电能中，只有约15%有效复合转化为光，大部分（约85%）因无效复合而转化为热。（3）LED发光过程中会产生热量，LED并非不会发热的冷光源。32020/1/172.热对LED性能和结构的影响其中：Фv（Tj1）=结温Tj1时的光通量Фv（Tj2）=结温Tj2时的光通量ΔTj=Tj2-Tj1k=温度系数LED电致发光过程产生的热量和工作环境温度（Ta）的不同，引起LED芯片结温Tj的变化。LED是温度敏感器件，当温度变化时，LED的性能和封装结构都会受到影响，从而影响LED的可靠性。(1)光通量与温度的关系①光通量Фv与结温Tj的关系Фv（Tj2）=Фv（Tj1）e-kΔTj42020/1/17不同材质类别LED的温度系数LED材质类别温度系数kAlInGaP/GaAs橙红色9.52×10-3AlInGaP/GaAs黄色1.11×10-2AlInGaP/GaP高亮红9.52×10-3AlInGaP/GaP黄色9.52×10-2AlInGaP类LED光输出与结温关系图相对光输出Tj（℃）橙红色黄色红色InGaN类LED光输出与结温关系图相对光输出绿色蓝绿色蓝色白色深蓝色Tj（℃）52020/1/17②光通量与环境温度的关系Ta（℃）相对光通量橙红色黄色•Ta=100℃时，LED的光通量将下降至室温时的一半左右。•LED的应用必须考虑温度对光通量的影响。62020/1/17(2)波长与结温Tj的关系λd（Tj2）=λd（Tj1）+kΔTj白光LED色温—结温飘移曲线Tj（℃）CCT(K)白色k=Δλ/ΔTj:LED波长-结温飘移率LED颜色Δλd/ΔTjΔλp/ΔTj单位红色+0.03+0.13nm/℃橙红色+0.06+0.13nm/℃黄色+0.09+0.13nm/℃绿色+0.04+0.05nm/℃蓝绿色+0.04+0.05nm/℃蓝色+0.04+0.05nm/℃72020/1/17(3)正向压降Vf结温Tj的关系Vf（Tj2）=Vf（Tj1）+kΔTjk=ΔVf/ΔTj：正向压降随结温变化的系数，通常取-2.0mV/℃.82020/1/17(4)热对发光效率ηv的影响ηv=ФvPd=ФvIf·Vf•在输入功率一定时：热量↑结温Tj↑正向压降Vf↓电流If↑热量发光效率ηv•LED内部会形成自加热循环，如果不及时引导和消散LED的热量，LED的发光效率将不断降低。(5)热对LED出光通道的影响•加速出光通道物质的老化；•降低通道物质的透光率；•改变出光通道物质的折射率，影响光线的空间分布；•严重时改变出光通道结构。92020/1/17(6)热对LED电通道（欧姆接触/固晶界面）的影响环氧树脂热膨胀系数随温度变化曲线•引致封装物质的膨胀或收缩；•封装物质的膨胀或收缩产生的形变应力，使欧姆接触/固晶界面的位移增大，造成LED开路和突然失效。102020/1/17(7)热对LED寿命的影响不同温度下AlInGaPPowerLED老化测试结果测试时间（小时）相对光输出实际数据外推数据实际数据外推数据实际数据外推数据不同温度下InGaNPowerLED老化测试结果实际数据外推数据实际数据外推数据实际数据外推数据测试时间（小时）相对光输出1112020/1/17二、LED的热工模型1.LED热量的来源•输入的电能中（约85%）因无效复合而产生的热量；•来自工作环境的热量。2.LED的热工模型•LED芯片很微小，其热容可忽略；•输入电能中大部分（约85%）转化为热量，一般计算中忽略转化为光的部分能量（约15%），假设所有的电能都转变成了热；•在LED工作热平衡后，Tj=Ta+RthjaPd其中Rthja=LED的PN结与环境之间的热阻;Pd=If·Vf：LED的输入功率。122020/1/17三、LED热阻的计算1.热阻的概念•热阻：热量传导通道上两个参考点之间的温度差与两点间热量传输速率的比值。Rth=ΔTqx其中：Rth=两点间的热阻（℃/W或K/W）ΔT=两点间的温度差（℃）qx=两点间热量传递速率（W）•热传导模型的热阻计算Rth=LλS其中：L为热传导距离（m）S为热传导通道的截面积（m2）λ为热传导系数（W/mK）ST2T1L132020/1/17•LED的热阻计算Rthja=Tj-TaPd=(Ta+ΔTj)-TaPd(LED工作热平衡后Tj=Ta+ΔTj)∴Rthja=ΔTjPdRthjb=Tj-TbPd=(Ta+ΔTj)-TbPd=ΔTjPd-Tb-TaPd=Rthja-Rthba∴Rthja=Rthjb+Rthba142020/1/172.分立LED热阻的计算模型LED热通道上各环节都存在热阻，热通道的简化热工模型是串联热阻回路。jabsRthjsRthsbRthbajsbRthja=Rthjs+Rthsb+Rthba152020/1/17TjTsRthjsRthsb3.集成LED阵列热阻的计算模型TbTaRthba集成LED（假定热阻一致）阵列热阻利用并联阻抗模型计算：阵列总Rthjb=单个LEDRthjbN162020/1/174.几种常见的1W大功率LED的热阻计算以Emitter（1mm×1mm芯片）为例，只考虑主导热通道的影响，从理论上计算PN结到热沉的热阻Rthjs。172020/1/17A.正装芯片/银胶固晶导热路径有源层衬底固晶层热沉材料InGaNAl2O3银胶Cuλ（W/mK）1704252641.85L(mm)0.0050.10.021.07.065S(mm2)1.01.01.019.625环节热阻（K/W）0.02942.38141.1849总热阻Rthjs7.60(K/W)B.正装芯片/共晶固晶导热路径有源层衬底固晶层热沉材料InGaNAl2O3AuSnCuλ（W/mK）17042582641.85L(mm)0.0050.10.011.07.065S(mm2)1.01.01.019.625环节热阻（K/W）0.02942.3810.17241.1849总热阻Rthjs3.77(K/W)182020/1/17C.Si衬底金球倒装焊芯片/银胶固晶D.Si衬底金球倒装焊芯片/共晶固晶导热路径有源层倒装焊金球衬底固晶层热沉材料InGaNAuSi银胶Cuλ（W/mK）17031714652641.85L(mm)0.0050.020.250.021.07.065S(mm2)1.00.0272.52.519.625环节热阻（K/W）0.02942.33670.68491.61.1849总热阻Rthjs5.84K/W)导热路径有源层倒装焊金球衬底固晶层热沉材料InGaNAuSiAuSnCuλ（W/mK）170317146582641.85L(mm)0.0050.020.250.011.07.065S(mm2)1.00.0272.52.519.625环节热阻（K/W）0.02942.33670.68490.068971.1849总热阻Rthjs4.30(K/W)192020/1/17F.AlN衬底共晶倒装芯片/共晶固晶E.AlN衬底共晶倒装芯片/银胶固晶导热路径有源层倒装共晶层衬底固晶层热沉材料InGaNAuSnAlN银胶Cuλ（W/mK）1705817052641.85L(mm)0.0050.0050.250.021.07.065S(mm2)1.00.392.52.519.625环节热阻（K/W）0.02940.22100.58821.61.1849总热阻Rthjs3.62K/W)导热路径有源层倒装共晶层衬底固晶层热沉材料InGaNAuSnAlNAuSnCuλ（W/mK）17058170582641.85L(mm)0.0050.0050.250.011.07.065S(mm2)1.00.392.52.519.625环节热阻（K/W）0.02940.22100.58820.068971.1849总热阻Rthjs2.09K/W)202020/1/17从以上计算可见：①固晶工艺对LED热阻有较大影响；②倒装芯片在导热上比正装芯片稍优；③正装芯片/共晶固晶在导热上并不比倒装芯片差；④目前实际制造的LED成品热阻Rthjs比以上理论计算高出1倍左右，说明制造工艺水平还有很大的提升空间。212020/1/175.几种常见LED的热阻参考值TypeCHIPLEDTOPLEDΦ3mmLEDΦ5mmLEDPiranhaSnapLEDPowerLEDRthjs(K/W)450-550350-450250-350200-300125-15560-755-206.热阻对光输出饱和电流的影响相对光通量输入电流（mA）热阻值越大，光输出越容易饱和，饱和电流点越低。222020/1/17四、LED热阻的测量1.理论依据半导体材料的电导率具有热敏性，改变温度可以显著改变半导体中的载流子的数量。禁带宽度通常随温度的升高而降低，且在室温以上随温度的变化具有良好的线性关系。可以认为半导体器件的正向压降与结温是线性变化关系。ΔVf=kΔTj（K：正向压降随温度变化的系数）Rthja=ΔTjPd=ΔVfkPd只要监测LED正向压降Vf的改变，便可以确定其热阻。232020/1/172.电压法测量LED热阻（1）测量LED温度系数k①将LED置于温度为Ta的恒温箱中足够时间至热平衡，Tj1=Ta；②用低电流（可以忽略其产生的热量对LED的影响）If’=1mA,快速点测LED的Vf1；③将LED置于温度为Ta’(Ta’Ta)的恒温箱中足够时间至热平衡，Tj2=Ta’；④重复步骤②，测得Vf2；⑤k=Vf2-Vf1Tj2-Tj1=Vf2-Vf1Ta’-Ta242020/1/17（2）测量LED在输入电功率加热状态下的Vf变化①将LED置于温度为Ta的恒温箱中，给LED输入电功率Pd，使其产生自加热；②维持If恒定足够时间，至LED工作热平衡，此时Vf达至稳定，记录If、Vf；③测量LED热沉温度Ts(取最高点)；④切断输入电功率的电源，立即（10ms）进行（1）之②步骤，测量Vf3。252020/1/17（3）数据处理3.LED的波长随结温的变化也有良好的线性关系：Δλ=kΔTj，可以用类似的手段通过波长漂移法测量热阻，但难度较电压法稍大。ΔVf=Vf3-Vf1Pd=If·VfRthja=ΔVfkPdRthsa=Ts-TaPdRthjs=Rthja-Rthsa262020/1/17五、LED的结温Tj1.常用的结温测算方法LED的结温TJ无法直接测量，只能通过间接的方式进行测量估算。（1）热影像法用精密热影像仪聚焦LED芯片PN结层面，拍摄热影像，对应出Tj。（2）热阻测量法Tj=Ta+RthjaPd272020/1/172.LED的最大额定结温Tjmax：（常见大功率LED的最大额定结温：120℃；LuxeonK2：185℃）（1）应用中的环境温度Ta应低于最大环境温度TamaxTamax=Tjmax-RthjaPd（2）为保证LED在使用中结温不超出Tjmax，在不同的环境温度（Ta）下，计算并确保输入电流不超出Ifmax：Ifmax=Tjmax-TamaxRthjaVf为确保LED工作的可靠性，在应用中LED的结温应尽可能低于最大额定结温Tjmax。282020/1/17Ta（℃）Ifmax(mA)AlInGaP类大功率LEDInGaN类大功率LEDIfmax(mA)Ifmax(mA)Ta（℃）Ta（℃）电流降级曲线小功率LED292020/1/173.降低LED结温的途径（1）减少LED本身的热阻；（2）良好的二次散热机构；（3）减少LED与二次散热机构安装界面之间的热阻；（4）控制额定输入功率Pd；（5）降低环境温