大功率LED的热量分析与设计

三、大功率LED热阻的测量

1. 原理

半导体材料的电导率具有热敏性，改变温度可以显著改变半导体中的载流子的数量。禁带宽度通常随温度的升高而降低，且在室温以上随温度的变化具有良好的线性关系，可以认为半导体器件的正向压降与结温是线性变化关系：
ΔVf=kΔTj （K：正向压降随温度变化的系数）
则从公式（1）及其推导可知，大功率LED的热阻（结点到环境）为：
Rthja＝ΔVf /（K*Pd ）
式中， Pd＝热消散速率，目前约有60％～70％的电能转化为热能，可取Pd＝0.65*If*Vf计算。
只要监测LED正向压降Vf的改变，便可以求得K值并算出热阻。

2. 测量系统

热阻测试系统如图4，要求测试中采用的恒温箱控温精度为±1℃，电压精度1mv。图中R1是分流电阻，R2用来调整流过LED的电流大小，通过电阻R1、R2和恒流源自身的输出调节，可以精确控制流过LED的电流大小，保证整个测试过程中流过LED的电流值恒定。

3. 测试过程
（1）测量温度系数K：
a. 将LED置于温度为Ta的恒温箱中足够时间至热平衡,此时Tj1= Ta ；
b. 用低电流（可以忽略其产生的热量对LED的影响，如If’ = 10mA）快速点测LED的Vf1；
c. 将LED置于温度为Ta’(Ta’>Ta)的恒温箱中足够时间至热平衡，Tj2=Ta’；
d. 重复步骤2，测得Vf2；
e. 计算K：K＝(Vf2-Vf1)/(Tj2-Tj1)＝(Vf2-Vf1)/( Ta’- Ta)
（2）测量在输入电功率加热状态下的变化：
a. 将LED置于温度为Ta的恒温箱中，给LED输入额定If使其产生自加热；
b. 维持恒定If足够时间至LED工作热平衡，此时Vf达至稳定，记录If ,Vf；
c. 测量LED热沉温度（取其最高点）Ts；
d. 切断输入电功率的电源，立即（〈10ms）进行（1）之b步骤，测量Vf3。
（3）数据处理：△Vf＝ Vf3－Vf1，
取Pd＝0.65*If*Vf计算：Rthja＝△Vf/（K*Pd）Rthsa＝（Ts－Ta）/Pd＝（Ts－Ta）/（0.65*IF*Vf）Rthjs＝Rthja－Rthsa

四、讨论
1. Tj （P-N结点温度）
一般而言，温度会影响P-N结禁带宽度，结点温度升高造成禁带宽度变窄，使得发光波长偏移，并引发更多的非可见光辐射导致发光效率降低。另外，晶片温度过高会对晶片粘结胶及四周的保护胶造成不良影响，加快其老化速度，甚至可能引起失效。Lumileds公司提出的失效计算公式如下：

其中， 是结点温度为T2时的失效概率，是结点温度为T1时的失效概率，EA＝ 0.43eV，K＝8.617*10-5 eV/K。根据此公式，失效概率随着Tj的升高会愈来愈槽糕。
大功率LED产品的最高结点温度（Tjmax）的高低主要取决于晶片的性能，若是封装材料受温度限制则Tjmax需适当降低，通常Tjmax不能大于125℃。但是，随着晶片技术的进步和封装技术的提高，目前可见到的K2系列产品之Tjmax已经能达到150℃。
1. 计算、测量热阻的意义
1） 为LED封装散热设计提供理论和实践依据

a. 选择合适的晶片：对晶片不能只要求出光效率高，必需针对制程中解决散热的能力采用足够高

Tjmax的晶片。在实践中我们发现，某些种类的晶片只经过24H老化就有较大衰减，这与其耐高温性能比较差相关。

b. 评估/选择支架、散热铝基板：依Rthsa或Rthba作为目标值，查对物料供应商提供的物料资料并计算其热阻，剔除不合要求的物料。通过试样，测试、对比不同物料的热阻，可做到择优而用。

C. 评估粘结胶及其效果：一般使用到的晶片粘结胶是银胶或锡膏，热沉与散热铝基电路板间的结合胶是导热硅胶或其它散热胶，胶体的导热系数、胶的厚度、结合面的质量制约热阻的大小。粘结胶是否合适，必需通过实验，测得热阻作为评估结论的判断依据之一。

2） 推测Tj

通过热阻等参数可以推测Tj，进而可以与设定的Tjmax比较，检验Tj是否符合要求。晶片温度与产品失效概率密切相关，在知悉某Tj时的失效概率的情况下，可以求得产品在推测出来的Tj时的失效概率。
3） 评估LED工作时可能遭遇的最高环境温度

设定Tjmax后，相应地可以导出环境温度的最高值。为了保证产品的信赖性，大功率LED产品应给出散热铝基电路板的表面最高温度或环境（空气）温度以指导下游应用产品的开发。

2. 在大功率LED的应用中改善热量处理

前面提到大功率LED的P-N结温（Tj）过高会引起发光衰减、使用寿命缩短、波长漂移等问题，为保证Tj低于Tjmax，要求合理设计二次散热结构,并计算最大输入功率、大功率LED应用产品的环境温度。
设计大功率LED应用产品时，应尽量选择导热性较好的材料并设计散热通道，减少热阻薄弱环节。使用过程中，对于Ta较高的环境，在无法减小热阻的情况下，可适当降低输入电功率，即减少Pd值，牺牲亮度以保证信赖性。

五、总结

通过对大功率LED热的产生、热阻、结温概念的理解和理论公式的推导及热阻测量，我们可以指导大功率LED的实际封装设计、评估和产品应用。需要说明的是，文中说明的电压法测量热阻方法简单但操作上有一定难度，需反复实验、修正。热量管理是在LED产品的发光效率不高的现阶段的关键问题，从根本上提高发光效率以减少热能的产生才是釜底抽薪之举，这需要晶片制造、LED封装及应用产品开发各环节技术的进步。