LED及相關(guān)熱管理

LED作為一種新型的半導體光源己愈來(lái)愈受到業(yè)界的重視，LED燈和背光源己在多領(lǐng)域得到廣泛的應用，本文將介紹LED半導體光源的一些特點(diǎn)及相關(guān)熱管理（Thermalmanagement）的目的、要點(diǎn)、“熱歐姆定律”、熱流傳輸及節點(diǎn)溫度檢測分析方法、導熱石墨及鋁散熱器應用的對比的初步實(shí)驗結果，供讀者參考。

LED半導體光源的特點(diǎn)

與白熾燈、傳統日光燈及鹵素燈不同，LED半導體光源是用半導體材料制成的，由一PN結構成，空穴—電子對復合產(chǎn)生光，工作在PN結的正向，P區為正（陽(yáng)）極，N區為負（陰）極。LED半導體光源體積小、發(fā)光效率高，響應時(shí)間短、節能。此外，它還有傳統光源所沒(méi)有的特點(diǎn)：1.與一般PN結器件（如二極管）類(lèi)似的特性：

●正向（forward）電壓必須超過(guò)一定的閾值才有電流；

●正向電壓和正向電流均為負溫度系數，隨溫度升高而減少；

●反向時(shí)，無(wú)電流不工作。

2.像所有半導體器件一樣其工作溫度要受以下一些因素的制約：

●結溫必須保持在額定值95?C～125?C以下（視發(fā)光器件而異），否則將引起失效；

●如表面有塑料透鏡的，還將受透鏡材料熔點(diǎn)溫度的限制；

●LED的亮度與正向電流相關(guān)，而在結溫超過(guò)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（Lightdegradation）和整體失效（Totalfailure）。當發(fā)射光降至其初始值的50％時(shí)發(fā)生光衰變；除超過(guò)允許最高結溫引起整體失效外，整體失效的發(fā)生還由于內部開(kāi)路所致，這包括：芯片與引線(xiàn)框架之間，芯片與鍵合絲之間，以及鍵合絲與引線(xiàn)框架之間等。失效原因之一是LDE樹(shù)脂玻璃透鏡超溫，再軟化，再冷卻后產(chǎn)生的應力使內部發(fā)生開(kāi)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年晶體管取代電子管在電子電路中應用時(shí)的情景，由于作為半導體器件的晶體管對溫度的敏感性，在應用伊始，一些過(guò)去熟悉電子管應用的工程技術(shù)人員認為晶體管雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，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(zhù)應用技術(shù)的進(jìn)步，采用溫度補償和負反饋抑制溫度漂移和穩定工作點(diǎn)等方法，己使晶體管及半導體集成電路技術(shù)成為今天電子信息技術(shù)的核心技術(shù)。在光源技術(shù)領(lǐng)域，LED的應用技術(shù)也必將經(jīng)歷如何揚長(cháng)避短這一過(guò)程。

熱管理設計與“熱歐姆定律”

進(jìn)行熱管理設計的目的是：

●確保器件在合適的條件下工作，以達到高可靠性；

●防止在超應力條件下驅動(dòng)，延長(cháng)LED的工作壽命；

●在最大可能電流下工作，以提高光輸出性能。

熱管理的要點(diǎn)是：通過(guò)導熱和散熱使LED工作溫度保持在合理的范圍內。通常依靠熱傳導將LED的熱量導向散熱片，再將“埋在”散熱片中的熱量散發(fā)出去，這一“導”一“散”非常重要，缺一不可，且散熱不僅要依靠傳導還要靠對流和輻射等方式。

在進(jìn)行熱管理分析時(shí)，常用的基本定律是熱流定律即所謂“熱歐姆定律”。

在分析電流傳輸時(shí)，歐姆建立了眾所周知的歐姆定律即：U=RI，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(shí)有形式上與其相似形式的定律即：△T=RthPo也被一些應用者稱(chēng)為“熱歐姆定律”(實(shí)際上此定律與歐姆無(wú)關(guān))。

這里Rth表示熱阻，表征熱流傳輸的阻力。單位為?C/W；Po為熱流，即單位時(shí)間傳輸的熱量Po=Q(熱量)/t(時(shí)間)，量綱與功率相同。

△T表示熱流傳輸途中兩點(diǎn)間的溫差，即此兩點(diǎn)間熱阻上的溫差。

在檢測電子電路時(shí)我們常用萬(wàn)用表檢測相關(guān)結點(diǎn)的電位和電位差即電壓。而在檢測熱流傳輸時(shí)則可用點(diǎn)溫計、熱電偶及及紅外熱像儀來(lái)檢測熱流傳輸路徑上相關(guān)節點(diǎn)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(diǎn)會(huì )因為熱阻過(guò)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(lèi)似于電路分析中建立等效電路，在熱流分析時(shí)亦可建立等效熱流路徑圖。

●檢測和估算LED結溫Tj；

●判別相關(guān)結點(diǎn)間的散熱效果，熱阻大??；

●估使用不同材質(zhì)散熱器時(shí)LED工作狀態(tài)的優(yōu)劣。

在熱流分析時(shí)有幾個(gè)重要的溫度結點(diǎn)分別是

：●芯片PN結的結點(diǎn)溫度Tj，應小于產(chǎn)品規定的額定值，以使其工作在安全范圍內。

●焊點(diǎn)溫度Ts，即LED引出端與基座板焊盤(pán)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(lái)，使結溫Tj保持在合理安全的數值，以期獲得器件允許的最大正向電流If得到最高的發(fā)光效果是關(guān)鍵所在。

分析實(shí)例這里要介紹的三實(shí)例是：熱流圖的建立、計算某SMT封裝結構(SMD型)LED的結溫Tj，以及使用不同散片材料對LED性能影響的初步實(shí)驗。

1．等效熱流圖

圖1和圖2分別為SMT封裝(即SMD型)LED內部結構圖和靜態(tài)等效熱路。

圖1SMD型LED內部結構圖圖中箭頭所指為熱流傳輸路徑。

圖2SMD型LED靜態(tài)等效熱路圖在此靜態(tài)等效熱路中，內部熱阻由4部份串聯(lián)而成，即內部熱阻=芯片熱阻+芯片鍵合(附著(zhù))熱阻+引線(xiàn)框熱阻+焊點(diǎn)熱阻。外部熱阻由特定應用條件所決定，如LED組裝在PCB板上，則其外部熱阻=焊盤(pán)熱阻+PCB熱阻。

Po為熱流，Tj為結溫，Ts為焊點(diǎn)溫度，Ta為環(huán)境界面溫度。

2.結溫檢測及估算

對某一(LAE67B)SMT封裝結構的LED，用點(diǎn)溫計測得焊點(diǎn)溫度Ts=70?C同時(shí)測得外加正向電壓U為2.1V，正向電流為50mA。在產(chǎn)品數據手冊中查得LAE67B的熱阻值為130?C/W，并假設電功率全部轉換為熱流，按“熱歐姆定律”計算：Tj=130130?C/W50mA2.1V+70?C=83.7?C實(shí)際結溫Tj小于最高允許結溫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(shí)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大影響，散熱效果對了的LED性能的影響是一個(gè)涉及面很廣研討課題。本示例僅是初步的實(shí)驗。