LED及相關(guān)熱管理

LED作為一種新型的半導(dǎo)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(yīng)用，本文將介紹LED半導(dǎo)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(jié)點(diǎn)溫度檢測(cè)分析方法、導(dǎo)熱石墨及鋁散熱器應(yīng)用的對(duì)比的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，供讀者參考。

LED半導(dǎo)體光源的特點(diǎn)

與白熾燈、傳統(tǒng)日光燈及鹵素?zé)舨煌?，LED半導(dǎo)體光源是用半導(dǎo)體材料制成的，由一PN結(jié)構(gòu)成，空穴—電子對(duì)復(fù)合產(chǎn)生光，工作在PN結(jié)的正向，P區(qū)為正（陽(yáng)）極，N區(qū)為負(fù)（陰）極。LED半導(dǎo)體光源體積小、發(fā)光效率高，響應(yīng)時(shí)間短、節(jié)能。此外，它還有傳統(tǒng)光源所沒(méi)有的特點(diǎn)：1.與一般PN結(jié)器件（如二極管）類似的特性：

●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(fù)溫度系數(shù)，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(dǎo)體器件一樣其工作溫度要受以下一些因素的制約：

●結(jié)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(jié)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(dāng)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(jié)溫引起整體失效外，整體失效的發(fā)生還由于內(nèi)部開路所致，這包括：芯片與引線框架之間，芯片與鍵合絲之間，以及鍵合絲與引線框架之間等。失效原因之一是LDE樹脂玻璃透鏡超溫，再軟化，再冷卻后產(chǎn)生的應(yīng)力使內(nèi)部發(fā)生開路。

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(dāng)年晶體管取代電子管在電子電路中應(yīng)用時(shí)的情景，由于作為半導(dǎo)體器件的晶體管對(duì)溫度的敏感性，在應(yīng)用伊始，一些過(guò)去熟悉電子管應(yīng)用的工程技術(shù)人員認(rèn)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，隨著應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，采用溫度補(bǔ)償和負(fù)反饋抑制溫度漂移和穩(wěn)定工作點(diǎn)等方法，己使晶體管及半導(dǎo)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(yīng)用技術(shù)也必將經(jīng)歷如何揚(yáng)長(zhǎng)避短這一過(guò)程。

熱管理設(shè)計(jì)與“熱歐姆定律”

進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)的目的是：

●確保器件在合適的條件下工作，以達(dá)到高可靠性；

●防止在超應(yīng)力條件下驅(qū)動(dòng)，延長(zhǎng)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(dǎo)熱和散熱使LED工作溫度保持在合理的范圍內(nèi)。通常依靠熱傳導(dǎo)將LED的熱量導(dǎo)向散熱片，再將“埋在”散熱片中的熱量散發(fā)出去，這一“導(dǎo)”一“散”非常重要，缺一不可，且散熱不僅要依靠傳導(dǎo)還要靠對(duì)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(yīng)用者稱為“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?shù)淖枇?。單位?C/W；Po為熱流，即單位時(shí)間傳輸?shù)臒崃縋o=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(cè)電子電路時(shí)我們常用萬(wàn)用表檢測(cè)相關(guān)結(jié)點(diǎn)的電位和電位差即電壓。而在檢測(cè)熱流傳輸時(shí)則可用點(diǎn)溫計(jì)、熱電偶及及紅外熱像儀來(lái)檢測(cè)熱流傳輸路徑上相關(guān)節(jié)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?yàn)闊嶙柽^(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(cè)和估算的有：

●類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(cè)和估算LED結(jié)溫Tj；

●判別相關(guān)結(jié)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(jié)點(diǎn)分別是

：●芯片PN結(jié)的結(jié)點(diǎn)溫度Tj，應(yīng)小于產(chǎn)品規(guī)定的額定值，以使其工作在安全范圍內(nèi)。

●焊點(diǎn)溫度Ts，即LED引出端與基座板焊盤處的溫度。

●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(jié)溫Tj保持在合理安全的數(shù)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(jì)算某SMT封裝結(jié)構(gòu)(SMD型)LED的結(jié)溫Tj，以及使用不同散片材料對(duì)LED性能影響的初步實(shí)驗(yàn)。

1．等效熱流圖

圖1和圖2分別為SMT封裝(即SMD型)LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和靜態(tài)等效熱路。

圖1SMD型LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部熱阻由4部份串聯(lián)而成，即內(nèi)部熱阻=芯片熱阻+芯片鍵合(附著)熱阻+引線框熱阻+焊點(diǎn)熱阻。外部熱阻由特定應(yīng)用條件所決定，如LED組裝在PCB板上，則其外部熱阻=焊盤熱阻+PCB熱阻。

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

2.結(jié)溫檢測(cè)及估算

對(duì)某一(LAE67B)SMT封裝結(jié)構(gòu)的LED，用點(diǎn)溫計(jì)測(cè)得焊點(diǎn)溫度Ts=70?C同時(shí)測(cè)得外加正向電壓U為2.1V，正向電流為50mA。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中查得LAE67B的熱阻值為130?C/W，并假設(shè)電功率全部轉(zhuǎn)換為熱流，按“熱歐姆定律”計(jì)算：Tj=130130?C/W50mA2.1V+70?C=83.7?C實(shí)際結(jié)溫Tj小于最高允許結(jié)溫125uC，工作是安全的。

3.使用不同散熱片材料對(duì)LED性能影響的初步實(shí)驗(yàn)從前述分析可以看出，溫度對(duì)LED的發(fā)光性能、壽命及可靠性都有很大影響，散熱效果對(duì)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(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)同一LED，分別選用鋁及導(dǎo)熱石墨散熱器散熱，加相同正向電壓，記錄正向電流值、焊點(diǎn)溫度及照度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明；由于導(dǎo)熱石墨材料的熱阻遠(yuǎn)小于鋁，LED點(diǎn)亮后在較低電流下石墨散熱器處溫度Ta升溫速率快，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間平衡后略高于鋁板散熱器處溫度，前者亮度也略高，在長(zhǎng)時(shí)間開啟和較大電流工作情況下，差異逐漸明顯。

結(jié)語(yǔ)本文介紹了對(duì)LED進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)的重要性、目的要求、設(shè)計(jì)管理要點(diǎn)、檢測(cè)分析方法和實(shí)例分析。LED燈的整體失效和光衰耗均與溫度有關(guān)，影響的因素有：LED周邊環(huán)境溫度；在LED接合點(diǎn)和外部間的導(dǎo)熱通道；；芯片釋放的能量等。雖然進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)、實(shí)施的要點(diǎn)是LED熱量的一“導(dǎo)”一“散”降低各部份的熱阻。但還是涉及到諸多方面：

●避免外界熱量傳至LED結(jié)合點(diǎn)，使Ta溫度升高(如將驅(qū)動(dòng)電路和LED電路板隔開)；

●LED焊盤設(shè)計(jì)與組裝工藝，要考慮熱電兼容的因素；

●最重要的是：散熱片(器)的選擇與組裝(包括組裝位置與朝向)，也包括新型導(dǎo)熱材料與散熱片器的選用；鑒于篇幅有限，不再贅述。而封裝熱阻及外散熱裝熱阻都與所用材料的導(dǎo)熱性能及組裝技術(shù)密切相關(guān)。這些都是筆者及業(yè)界同仁關(guān)心的熱點(diǎn)，我們期待著在這一領(lǐng)域取得新的進(jìn)展。