LED的热量管理 Thermal Management Considerations for LEDs

裴 小 明 Simen pe
技术总监 CTO
深圳市量子光电子有限公司
Shenzhen Quan tum Optoelectronic Co

一、热对LED的影响
1.LED是冷光源吗？
(1)LED的发光原理是电子与空穴经过复合直接发出光子，过程中不需要热量oLED可以称为冷光源。
(2)LED的发光需要电流驱动。输入LED的电能中，只有约15070有效复合转化为光，大部分（约85070）因无效复合而转化为热。
(3)LED发光过程中会产生热量，LED并非不会发热的冷光源。
2．热对LED性能和结构的影响
    LED电致发光过程产生的热量和工作环境温度(Ta) 的不同，引起LED芯片结温Tj的变化o LED是温度敏感器件，当温度变化时，LED的性能和封装结构都会受到影响，  从而影响LED的可靠性。

二、LED的热工模型
  1．LED热量的来源
    ·输入的电能中（约85%）因无效复合而产生的热量；
    ·来自工作环境的热量。
  2．LED的热工模型
    ·LED芯片很微小，其热容可忽略；
·输入电能中大部分（约85%）转化为热量，一般计算中忽略转化为光的部分能量（约15%），假设所有的电能都转变成了热；
·在LED工作热平衡后，
    Tj=Ta+RthjaPD
 其中Rthja=LED的PN结与环境之间的热阻；Pd= If .Vf LED的输入功率。

 

三、LED热阻的计算
1．热阻的概念
·热阻：热量传导通道上两个参考点之间的温度差与两点间热量传输速率的比值。
    Rth=△T/qx
其中：Rth=两点间的热阻(℃/W或K/W)
    △T=两点间的温度差(℃)
    qx=两点间热量传递速率(W)
·热传导模型的热阻计算
   Rth= L/λS
其中：L为热传导距离(m)
    S为热传导通道的截面积(m2)
    λ为热传导系数( W/mK)

四、LED热阻的测量
  1．理论依据
    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。

只要监测LED正向压降Vf的改变，便可以确定其热阻。

五、LED的结温T；
1 常用的结温测算方法
LED的结温TJ无法直接测量，只能通过间接的方式进行测量估算

(1)热影像法
用精密热影像仪聚焦LED芯片PN结层面，拍摄热影像，对应出Tj。
(2)热阻测量法

3．降低LED结温的途径
(1)减少LED本身的热阻；
(2)良好的二次散热机构；
(3)减少LED与二次散热机构安装界面之间的热阻；
(4)控制额定输入功率Pd；
(5)降低环境温度Ta

六、降低LED热阻的途径

1.降低芯片的热阻
2.优化热通道
(1)通道结构
  长度(L)越短越好 面积(S)越大越好 环节越少越好

  消除通道上的热传导瓶颈。
(2)通道材料——导热系数入越大越好

(3)改良封装工艺，令通道环节间的界面接触更紧密可靠
3.强化电通道的导／散热功能
4.选用导／散热性能更高的出光通道材料

七、LED应用中的导热和散热
  1．依LED结温TJ的要求设计二次散热机构
    ①取得正确的LED热阻值Rthjs或Rthjb；
    ②评估LED工作时可能遭遇的最高环境温度Tamax；
    ③为使LED可靠地工作，最好将LED正常工作时的最大结温T'jmax
    设定低于LED结温的最大额定值Tjmax；
    ④确定不超出额定功率的最大输入功率Pdmax；   
    ⑤计算出Rtja
    ⑥计算二次散热机构容许的最大热阻   
    ⑦依Rthsa或Rthba作为目标值，查对LED供应商提供的对应Rthsa或Rthba的散热装置要求，以决定符合应用需求的二次散热机构的设计。

  2．安装工艺
 导热环节界面平整光滑，接触紧密可靠，必要时可加散热膏或粘合连接安装，以确保将LED的热量高效地引导到二次散热机构

小结

1．清晰概念、理论依据和热工模型
2．指导实际生产、测量和应用，以突显LED的优点
THE  END
 

 热设计培训资料下载：LED的热量管理.pdf

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