大功率LED的熱量分析與設計

三、大功率LED熱阻的測量

1. 原理

半導體材料的電導率具有熱敏性，改變溫度可以顯著(zhù)改變半導體中的載流子的數量。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(xiàn)性關(guān)系，可以認為半導體器件的正向壓降與結溫是線(xiàn)性變化關(guān)系：
ΔVf=kΔTj （K：正向壓降隨溫度變化的系數）
則從公式（1）及其推導可知，大功率LED的熱阻（結點(diǎn)到環(huán)境）為：
Rthja＝ΔVf /（K*Pd ）
式中， Pd＝熱消散速率，目前約有60％～70％的電能轉化為熱能，可取Pd＝0.65*If*Vf計算。
只要監測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

熱阻測試系統如圖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(lái)調整流過(guò)LED的電流大小，通過(guò)電阻R1、R2和恒流源自身的輸出調節，可以精確控制流過(guò)LED的電流大小，保證整個(gè)測試過(guò)程中流過(guò)LED的電流值恒定。

3. 測試過(guò)程
（1）測量溫度系數K：
a. 將LED置于溫度為T(mén)a的恒溫箱中足夠時(shí)間至熱平衡,此時(shí)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T(mén)a’(Ta’>Ta)的恒溫箱中足夠時(shí)間至熱平衡，Tj2=Ta’；
d. 重復步驟2，測得Vf2；
e. 計算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T(mén)a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(shí)間至LED工作熱平衡，此時(shí)Vf達至穩定，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）數據處理：△Vf＝ Vf3－Vf1，
取Pd＝0.65*If*Vf計算：Rthja＝△Vf/（K*Pd）Rthsa＝（Ts－Ta）/Pd＝（Ts－Ta）/（0.65*IF*Vf）Rthjs＝Rthja－Rthsa

四、討論
1. Tj （P-N結點(diǎn)溫度）
一般而言，溫度會(huì )影響P-N結禁帶寬度，結點(diǎn)溫度升高造成禁帶寬度變窄，使得發(fā)光波長(cháng)偏移，并引發(fā)更多的非可見(jiàn)光輻射導致發(fā)光效率降低。另外，晶片溫度過(guò)高會(huì )對晶片粘結膠及四周的保護膠造成不良影響，加快其老化速度，甚至可能引起失效。Lumileds公司提出的失效計算公式如下：

其中， 是結點(diǎn)溫度為T(mén)2時(shí)的失效概率，是結點(diǎn)溫度為T(mén)1時(shí)的失效概率，EA＝ 0.43eV，K＝8.617*10-5 eV/K。根據此公式，失效概率隨著(zhù)Tj的升高會(huì )愈來(lái)愈槽糕。
大功率LED產(chǎn)品的最高結點(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需適當降低，通常Tjmax不能大于125℃。但是，隨著(zhù)晶片技術(shù)的進(jìn)步和封裝技術(shù)的提高，目前可見(jiàn)到的K2系列產(chǎn)品之Tjmax已經(jīng)能達到150℃。
1. 計算、測量熱阻的意義
1） 為L(cháng)ED封裝散熱設計提供理論和實(shí)踐依據

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，某些種類(lèi)的晶片只經(jīng)過(guò)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作為目標值，查對物料供應商提供的物料資料并計算其熱阻，剔除不合要求的物料。通過(guò)試樣，測試、對比不同物料的熱阻，可做到擇優(yōu)而用。

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

2） 推測Tj

通過(guò)熱阻等參數可以推測Tj，進(jìn)而可以與設定的Tjmax比較，檢驗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(shí)的失效概率的情況下，可以求得產(chǎn)品在推測出來(lái)的Tj時(shí)的失效概率。
3） 評估LED工作時(shí)可能遭遇的最高環(huán)境溫度

設定Tjmax后，相應地可以導出環(huán)境溫度的最高值。為了保證產(chǎn)品的信賴(lài)性，大功率LED產(chǎn)品應給出散熱鋁基電路板的表面最高溫度或環(huán)境（空氣）溫度以指導下游應用產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

2. 在大功率LED的應用中改善熱量處理

前面提到大功率LED的P-N結溫（Tj）過(guò)高會(huì )引起發(fā)光衰減、使用壽命縮短、波長(cháng)漂移等問(wèn)題，為保證Tj低于Tjmax，要求合理設計二次散熱結構,并計算最大輸入功率、大功率LED應用產(chǎn)品的環(huán)境溫度。
設計大功率LED應用產(chǎn)品時(shí)，應盡量選擇導熱性較好的材料并設計散熱通道，減少熱阻薄弱環(huán)節。使用過(guò)程中，對于Ta較高的環(huán)境，在無(wú)法減小熱阻的情況下，可適當降低輸入電功率，即減少Pd值，犧牲亮度以保證信賴(lài)性。

五、總結

通過(guò)對大功率LED熱的產(chǎn)生、熱阻、結溫概念的理解和理論公式的推導及熱阻測量，我們可以指導大功率LED的實(shí)際封裝設計、評估和產(chǎn)品應用。需要說(shuō)明的是，文中說(shuō)明的電壓法測量熱阻方法簡(jiǎn)單但操作上有一定難度，需反復實(shí)驗、修正。熱量管理是在LED產(chǎn)品的發(fā)光效率不高的現階段的關(guān)鍵問(wèn)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封裝及應用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)各環(huán)節技術(shù)的進(jìn)步。