大功率LED的热量分析与设计

本文分析了大功率LED光源热的产生、传导，依据热阻基本公式推导出比较完整的热阻计算公式和测试方法，并讨论了计算、测试热阻对大功率LED封装设计的实践意义和应用产品的热量处理。
关键词：热量管理    P-N结温    热阻

Thermal Analyse and Design of High-Power LED

Abstract: This paper introduce the heat produce and conduct of High-Power LED lighting source,then conclude the formula for calculating heat resistance and show a test method. The practice meaning of calculation and test method for High-Power LED ‘s design has been discussed, we give some thermal management advice for the product’s applying as well.
Key Words: Thermal management   P-N Junction Temperature  Heat resistance

引言

随着LED超高亮度的出现及LED色彩的丰富，LED的应用也由最初的指示扩展到交通、大屏幕显示、汽车刹车灯、转向灯、工程建筑装饰灯、特种照明领域并正在向普通照明积极推进。阻碍这一发展的最大敌害是LED的热量管理，因此从事热阻、结温、热参数匹配等问题的研究和改进具有深远的意义。

如何降低大功率LED的热阻、结温，使PN结产生的热量能尽快的散发出去，不仅可提高产品的发光效率，提高产品的饱和电流，同时也提高了产品的可靠性和寿命。据有关资料分析，大约70％的故障来自LED的温度过高，并且在负载为额定功率的一半的情况下温度每升高200C故障就上升一倍。为了降低产品的热阻，首先封装材料的选择显得尤为重要，包括晶片、金线，硅胶、热沉、粘结胶等,各材料的热阻要低即要求导热性能好；其次结构设计要合理，各材料间的导热性能和膨胀系数要连续匹配。避免导热通道中产生散热瓶颈或因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。

目前测量半导体器件工作温度及热阻的主要方法有：红外微象仪法，电压参数法，还有光谱法，光热阻扫描法及光功率法。其中电压法测量LED热阻最常用。

一．   LED热的产生、传导和疏散

与传统光源一样，半导体发光二极管（LED）在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在P-N结附近辐射出来的光还需经过晶片（chip）本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界（空气）。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、晶片外部光取出效率等，最终大概只有30-40％的输入电能转化为光能，其余60-70％的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。而晶片温度的升高，则会增强非辐射复合，进一步消弱发光效率。

大功率LED一般都有超过1W的电输入功率，其产生的热量相当可观，解决散热问题乃当务之急。通常来说，大功率LED照明光源需要解决的散热问题涉及以下几个环节：
     1. 晶片PN结到外延层 ；
     2. 外延层到封装基板 ；
     3. 封装基板到外部冷却装置再到空气。

这三个环节构成大功率LED光源热传导的主要通道，热传导通道上任何薄弱环节都会使热导设计毁于一旦。热的传播方式可分为三种：（1）传导——热量是通过逐个原子传递的，所以不能采用高热阻的界面材料；（2）对流——热量通过流转的介质（空气、水）扩散和对流，从散热器传递到周围环境中去，故不要限制或阻止对流；（3 ）辐射——热量依靠电磁波经过液体、气体或真空传递。对大功率LED照明光源而言传导方式起最主要的作用，为了取得好的导热效果，三个导热环节应采用热导系数高的材料，并尽量提高对流散热。

二． 大功率LED热阻的计算

1.热阻是指热量传递通道上两个参点之间的温度差与两点间热量传输速率的比值：Rth＝△T/qx （1）
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）。

2. 热传导模型的热阻计算
Rth＝L/λS （2）
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）。越短的热传导距离、越大的截面积和越高的热传导系数对热阻的降低越有利，这要求设计合理的封装结构和选择合适的材料。

3. 大功率LED的热阻计算
（1） 根据公式（1），晶片上P-N结点到环境的总热阻：
Rthja = △Tja/Pd = (Tj-Ta)/Pd
其中： Pd = 消散的功率（W）≈正向电流If * 正向电压Vf,
ΔTja=Tj-Ta= 结点温度 - 环境温度 。
（2）设定晶片上P-N结点生成的热沿着以下简化的热路径传导：结点→热沉→铝基散热电路板→空气/环境（见图1），则热路径的简化模型就是串联热阻回路，如图2表示：

P-N结点到环境的总热阻：

Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba

图2中所示散热路径中每个热阻抗所对应的元件介于各个温度节点之间，其中：Rthjs(结点到热沉) ＝ 晶片半导体有源层及衬底、粘结衬底与热沉材料的热阻；

Rthsb(热沉到散热电路板) ＝热沉、连结热沉与散热电路板材料的热阻；

Rthba（散热电路板到空气/环境）＝散热电路板、表面接触或介于降温装置和电路板之间的粘胶和降温装置到环境空气的组合热阻。

根据公式（2），如果知道了个材料的尺寸及其热传导系数，可以求出以上各热阻，进而求得总热阻Rthja。

以下是几种常见的1W大功率LED的热阻计算：以Emitter(1mm×1mm晶片)为例，只考虑主导热通道的影响，从理论上计算P-N结点到热沉的热阻Rthjs。

A、正装晶片/共晶固晶

B、正装晶片/银胶固晶

C、si衬底金球倒装焊晶片/银胶固晶（见图3所示）

图3 倒装焊晶片/银胶固晶 大功率LED剖面

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三、大功率LED热阻的测量

1. 原理

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）
则从公式（1）及其推导可知，大功率LED的热阻（结点到环境）为：
Rthja＝ΔVf /（K*Pd ）
式中， Pd＝热消散速率，目前约有60％～70％的电能转化为热能，可取Pd＝0.65*If*Vf计算。
只要监测LED正向压降Vf的改变，便可以求得K值并算出热阻。

2. 测量系统

热阻测试系统如图4，要求测试中采用的恒温箱控温精度为±1℃，电压精度1mv。图中R1是分流电阻，R2用来调整流过LED的电流大小，通过电阻R1、R2和恒流源自身的输出调节，可以精确控制流过LED的电流大小，保证整个测试过程中流过LED的电流值恒定。

3. 测试过程
（1）测量温度系数K：
a. 将LED置于温度为Ta的恒温箱中足够时间至热平衡,此时Tj1= Ta ；
b. 用低电流（可以忽略其产生的热量对LED的影响，如If’ = 10mA）快速点测LED的Vf1；
c. 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’；
d. 重复步骤2，测得Vf2；
e. 计算K：K＝(Vf2-Vf1)/(Tj2-Tj1)＝(Vf2-Vf1)/( Ta’- Ta)
（2）测量在输入电功率加热状态下的变化：
a. 将LED置于温度为Ta的恒温箱中，给LED输入额定If使其产生自加热；
b. 维持恒定If足够时间至LED工作热平衡，此时Vf达至稳定，记录If ,Vf；
c. 测量LED热沉温度（取其最高点）Ts；
d. 切断输入电功率的电源，立即（〈10ms）进行（1）之b步骤，测量Vf3。
（3）数据处理：△Vf＝ Vf3－Vf1，
取Pd＝0.65*If*Vf计算：Rthja＝△Vf/（K*Pd）Rthsa＝（Ts－Ta）/Pd＝（Ts－Ta）/（0.65*IF*Vf）Rthjs＝Rthja－Rthsa

四、讨论
1. Tj （P-N结点温度）
一般而言，温度会影响P-N结禁带宽度，结点温度升高造成禁带宽度变窄，使得发光波长偏移，并引发更多的非可见光辐射导致发光效率降低。另外，晶片温度过高会对晶片粘结胶及四周的保护胶造成不良影响，加快其老化速度，甚至可能引起失效。Lumileds公司提出的失效计算公式如下：

其中， 是结点温度为T2时的失效概率，是结点温度为T1时的失效概率，EA＝ 0.43eV，K＝8.617*10-5 eV/K。根据此公式，失效概率随着Tj的升高会愈来愈槽糕。
大功率LED产品的最高结点温度（Tjmax）的高低主要取决于晶片的性能，若是封装材料受温度限制则Tjmax需适当降低，通常Tjmax不能大于125℃。但是，随着晶片技术的进步和封装技术的提高，目前可见到的K2系列产品之Tjmax已经能达到150℃。
1. 计算、测量热阻的意义
1） 为LED封装散热设计提供理论和实践依据

a. 选择合适的晶片：对晶片不能只要求出光效率高，必需针对制程中解决散热的能力采用足够高

Tjmax的晶片。在实践中我们发现，某些种类的晶片只经过24H老化就有较大衰减，这与其耐高温性能比较差相关。

b. 评估/选择支架、散热铝基板：依Rthsa或Rthba作为目标值，查对物料供应商提供的物料资料并计算其热阻，剔除不合要求的物料。通过试样，测试、对比不同物料的热阻，可做到择优而用。

C. 评估粘结胶及其效果：一般使用到的晶片粘结胶是银胶或锡膏，热沉与散热铝基电路板间的结合胶是导热硅胶或其它散热胶，胶体的导热系数、胶的厚度、结合面的质量制约热阻的大小。粘结胶是否合适，必需通过实验，测得热阻作为评估结论的判断依据之一。

2） 推测Tj

通过热阻等参数可以推测Tj，进而可以与设定的Tjmax比较，检验Tj是否符合要求。晶片温度与产品失效概率密切相关，在知悉某Tj时的失效概率的情况下，可以求得产品在推测出来的Tj时的失效概率。
3） 评估LED工作时可能遭遇的最高环境温度

设定Tjmax后，相应地可以导出环境温度的最高值。为了保证产品的信赖性，大功率LED产品应给出散热铝基电路板的表面最高温度或环境（空气）温度以指导下游应用产品的开发。

2. 在大功率LED的应用中改善热量处理

前面提到大功率LED的P-N结温（Tj）过高会引起发光衰减、使用寿命缩短、波长漂移等问题，为保证Tj低于Tjmax，要求合理设计二次散热结构,并计算最大输入功率、大功率LED应用产品的环境温度。
设计大功率LED应用产品时，应尽量选择导热性较好的材料并设计散热通道，减少热阻薄弱环节。使用过程中，对于Ta较高的环境，在无法减小热阻的情况下，可适当降低输入电功率，即减少Pd值，牺牲亮度以保证信赖性。

五、总结

通过对大功率LED热的产生、热阻、结温概念的理解和理论公式的推导及热阻测量，我们可以指导大功率LED的实际封装设计、评估和产品应用。需要说明的是，文中说明的电压法测量热阻方法简单但操作上有一定难度，需反复实验、修正。热量管理是在LED产品的发光效率不高的现阶段的关键问题，从根本上提高发光效率以减少热能的产生才是釜底抽薪之举，这需要晶片制造、LED封装及应用产品开发各环节技术的进步。