LED內(nèi)部熱阻的定義及其對(duì)商品結(jié)溫的影響

盡管LED與傳統(tǒng)照明相比具有卓越的功效，但LED仍然很熱。由于過(guò)熱是導(dǎo)致不希望的影響的原因，例如色度偏移或更糟，災(zāi)難性故障，熱管理是固態(tài)照明(SSL)設(shè)計(jì)的重要方面。

對(duì)于一組給定的工作條件，LED的內(nèi)部熱阻主要決定器件的熱度以及達(dá)到峰值溫度的速度。更大的內(nèi)部熱阻導(dǎo)致更快的溫升和更高的峰值溫度。

熱管理的重要性

LED中的主要熱源來(lái)自構(gòu)成器件的p型和n型半導(dǎo)體材料之間的結(jié)。該熱量是結(jié)點(diǎn)處或附近的電子和空穴復(fù)合的副產(chǎn)物。理想地，重組導(dǎo)致光子離開LED并有助于整體照明，但是通常光子在模具中被重新吸收，從而產(chǎn)生熱量。在器件工作時(shí)發(fā)生的LED晶格的微小振動(dòng)也會(huì)升高溫度。盡管LED與傳統(tǒng)光源相比具有很高的功效，但應(yīng)用于該設(shè)備的約70%至80%的電能仍然轉(zhuǎn)換為熱而不是光。

因?yàn)長(zhǎng)ED結(jié)很小，所以能量很小密度高，溫度迅速上升。現(xiàn)代芯片的結(jié)溫(TJ)升至100 o C及以上并不罕見，盡管現(xiàn)代LED比舊設(shè)備更堅(jiān)固，但在高溫下長(zhǎng)時(shí)間操作是不希望的。限制結(jié)溫可降低色度漂移并延長(zhǎng)壽命。

對(duì)于給定的一組操作條件(例如正向電壓/電流，照明燈具中LED陣列的密度和典型的環(huán)境溫度)工程師可以計(jì)算LED的結(jié)溫，并設(shè)計(jì)一個(gè)熱管理系統(tǒng)，從芯片中提取熱量并將其安全地散發(fā)到周圍環(huán)境中。

現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)有導(dǎo)電熱路徑，將熱量從結(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至“焊點(diǎn)”。焊點(diǎn)是LED接觸PCB的部分，通常連接到PCB的散熱層。 PCB和/或獨(dú)立散熱器。

圖1 ：現(xiàn)代LED設(shè)計(jì)用于將熱量傳導(dǎo)到焊點(diǎn)，然后傳導(dǎo)到周圍的環(huán)境t通過(guò)PCB。 (由美國(guó)能源部提供)

LED制造商熱衷于幫助客戶克服熱管理挑戰(zhàn)。圖2(a)和(b)顯示了歐司朗的TOPLED和DRAGON LED系列設(shè)計(jì)的路徑如何將熱量傳導(dǎo)到焊點(diǎn)。

圖2(a)和(b)：歐司朗的TOPLED(左)通過(guò)其中一個(gè)封裝引線散熱，而該公司的DRAGON LED使用散熱器。 (歐司朗提供)

某些LED封裝在散熱方面優(yōu)于其他LED封裝，每種LED封裝的性能均由器件的內(nèi)部熱阻(Rth)表示。內(nèi)部熱阻是決定LED結(jié)在給定的一組工作條件下會(huì)變熱的基本質(zhì)量。了解熱阻使工程師能夠計(jì)算出他或她的設(shè)計(jì)中使用的LED的結(jié)溫，以確保它不會(huì)超過(guò)芯片制造商建議的最大限制。

定義熱阻

LED的內(nèi)部熱阻定義為：

其中RthJS = LED封裝從結(jié)點(diǎn)到焊點(diǎn)的熱阻， TJ如前所述，TS =焊點(diǎn)溫度，Q =耗散功率。

實(shí)際上有兩種形式的內(nèi)部熱阻：電阻熱和“實(shí)際”熱阻。不同之處在于如何定義Q，耗散功率。電熱阻將Q定義為供電電功率(即正向電壓x正向電流)。相反，實(shí)際熱阻將Q定義為：

其中Pel =供電，Popt =提供光功率。

實(shí)際熱阻方程也可寫為：

其中ηLED= LED光學(xué)效率。

主要LED制造商更愿意列出其數(shù)據(jù)表中的實(shí)際熱阻(盡管有一些例外，因此工程師應(yīng)該謹(jǐn)慎)。

由于現(xiàn)代LED封裝中芯片不易接近，幾乎不可能直接測(cè)量LED的結(jié)溫，但測(cè)量焊點(diǎn)的溫度并使用公式中的光譜數(shù)據(jù)實(shí)際熱阻可以使工程師推斷其溫度。

定義熱阻的公式(見上文)可以重新排列為：

當(dāng)前高性能白光LED(如OSRAM的OSLON SSL LED)的數(shù)據(jù)表顯示：

OSLON SSL LED的最大推薦結(jié)溫為135°C因此，在這些條件下，器件在其極限范圍內(nèi)運(yùn)行良好。

降低熱阻

降低LED封裝的內(nèi)部熱阻可以更容易地從器件中提取熱量并降低溫度給定工作條件下的結(jié)溫?；蛘?，低熱阻允許工程師在不超過(guò)最大結(jié)溫的情況下更硬地推動(dòng)其器件。這提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如在給定輸出下需要更少的LED，降低成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

制造商在降低產(chǎn)品的耐熱性。例如，歐司朗上一代產(chǎn)品的內(nèi)部熱阻為36至40 C/W，而現(xiàn)代芯片如公司的Golden DRAGON Plus(71 lm/W [350 mA，3.2 V]設(shè)備)則為6.5 C/W 。

Cree提供一系列具有低內(nèi)部熱阻的LED。例如，該公司的XLamp XP-L高強(qiáng)度LED(113 lm/W [1.05 A，2.95 V])的內(nèi)部熱阻為2.5 C/W.

同樣，Lumileds，首爾半導(dǎo)體和東芝也提供有競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)備。例如，Lumileds的LUXEON Z ES芯片(97 lm/W [700 mA，2.8 V])的內(nèi)部熱阻為3 C/W(見圖3)。 Seoul Semiconductor提供Z5-M1大功率LED(140 lm/W [350 mA，2.95 V])，內(nèi)部熱阻為4.5 C/W.東芝提供TL1L3(129 lm/W [350 mA，2.85 V])，其內(nèi)部熱阻為5 C/W.

圖3：Lumileds LUXEON Z ES的內(nèi)部熱阻為3 C/W.