LED半導體光源的特點(diǎn)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（Thermal management）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 ℃～125 ℃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（Light degradation）和整體失效（Total failure）。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”。