大功率LED的熱量分析與設(shè)計(jì)

本文分析了大功率LED光源熱的產(chǎn)生、傳導(dǎo)，依據(jù)熱阻基本公式推導(dǎo)出比較完整的熱阻計(jì)算公式和測(cè)試方法，并討論了計(jì)算、測(cè)試熱阻對(duì)大功率LED封裝設(shè)計(jì)的實(shí)踐意義和應(yīng)用產(chǎn)品的熱量處理。
關(guān)鍵詞：熱量管理    P-N結(jié)溫    熱阻

Thermal Analyse and Design of High-Power LED

Abstract: This paper introduce the heat produce and conduct of High-Power LED lighting source,then conclude the formula for calculating heat resistance and show a test method. The practice meaning of calculation and test method for High-Power LED ‘s design has been discussed, we give some thermal management advice for the product’s applying as well.
Key Words: Thermal management   P-N Junction Temperature  Heat resistance

引言

隨著LED超高亮度的出現(xiàn)及LED色彩的豐富，LED的應(yīng)用也由最初的指示擴(kuò)展到交通、大屏幕顯示、汽車剎車燈、轉(zhuǎn)向燈、工程建筑裝飾燈、特種照明領(lǐng)域并正在向普通照明積極推進(jìn)。阻礙這一發(fā)展的最大敵害是LED的熱量管理，因此從事熱阻、結(jié)溫、熱參數(shù)匹配等問題的研究和改進(jìn)具有深遠(yuǎn)的意義。

如何降低大功率LED的熱阻、結(jié)溫，使PN結(jié)產(chǎn)生的熱量能盡快的散發(fā)出去，不僅可提高產(chǎn)品的發(fā)光效率，提高產(chǎn)品的飽和電流，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的可靠性和壽命。據(jù)有關(guān)資料分析，大約70％的故障來自LED的溫度過高，并且在負(fù)載為額定功率的一半的情況下溫度每升高200C故障就上升一倍。為了降低產(chǎn)品的熱阻，首先封裝材料的選擇顯得尤為重要，包括晶片、金線，硅膠、熱沉、粘結(jié)膠等,各材料的熱阻要低即要求導(dǎo)熱性能好；其次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，各材料間的導(dǎo)熱性能和膨脹系數(shù)要連續(xù)匹配。避免導(dǎo)熱通道中產(chǎn)生散熱瓶頸或因封裝物質(zhì)的膨脹或收縮產(chǎn)生的形變應(yīng)力，使歐姆接觸、固晶界面的位移增大，造成LED開路和突然失效。

目前測(cè)量半導(dǎo)體器件工作溫度及熱阻的主要方法有：紅外微象儀法，電壓參數(shù)法，還有光譜法，光熱阻掃描法及光功率法。其中電壓法測(cè)量LED熱阻最常用。

一．   LED熱的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和疏散

與傳統(tǒng)光源一樣，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）在工作期間也會(huì)產(chǎn)生熱量，其多少取決于整體的發(fā)光效率。在外加電能量作用下，電子和空穴的輻射復(fù)合發(fā)生電致發(fā)光，在P-N結(jié)附近輻射出來的光還需經(jīng)過晶片（chip）本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達(dá)外界（空氣）。綜合電流注入效率、輻射發(fā)光量子效率、晶片外部光取出效率等，最終大概只有30-40％的輸入電能轉(zhuǎn)化為光能，其余60-70％的能量主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉(zhuǎn)化熱能。而晶片溫度的升高，則會(huì)增強(qiáng)非輻射復(fù)合，進(jìn)一步消弱發(fā)光效率。

大功率LED一般都有超過1W的電輸入功率，其產(chǎn)生的熱量相當(dāng)可觀，解決散熱問題乃當(dāng)務(wù)之急。通常來說，大功率LED照明光源需要解決的散熱問題涉及以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：
     1. 晶片PN結(jié)到外延層 ；
     2. 外延層到封裝基板 ；
     3. 封裝基板到外部冷卻裝置再到空氣。

這三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成大功率LED光源熱傳導(dǎo)的主要通道，熱傳導(dǎo)通道上任何薄弱環(huán)節(jié)都會(huì)使熱導(dǎo)設(shè)計(jì)毀于一旦。熱的傳播方式可分為三種：（1）傳導(dǎo)——熱量是通過逐個(gè)原子傳遞的，所以不能采用高熱阻的界面材料；（2）對(duì)流——熱量通過流轉(zhuǎn)的介質(zhì)（空氣、水）擴(kuò)散和對(duì)流，從散熱器傳遞到周圍環(huán)境中去，故不要限制或阻止對(duì)流；（3 ）輻射——熱量依靠電磁波經(jīng)過液體、氣體或真空傳遞。對(duì)大功率LED照明光源而言傳導(dǎo)方式起最主要的作用，為了取得好的導(dǎo)熱效果，三個(gè)導(dǎo)熱環(huán)節(jié)應(yīng)采用熱導(dǎo)系數(shù)高的材料，并盡量提高對(duì)流散熱。

二． 大功率LED熱阻的計(jì)算

1.熱阻是指熱量傳遞通道上兩個(gè)參點(diǎn)之間的溫度差與兩點(diǎn)間熱量傳輸速率的比值：Rth＝△T/qx （1）
其中：Rth=兩點(diǎn)間的熱阻（℃/W或K/W），ΔT=兩點(diǎn)間的溫度差（℃），qx=兩點(diǎn)間熱量傳遞速率（W）。

2. 熱傳導(dǎo)模型的熱阻計(jì)算
Rth＝L/λS （2）
其中： L為熱傳導(dǎo)距離（m），S為熱傳導(dǎo)通道的截面積（m2），λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/mK）。越短的熱傳導(dǎo)距離、越大的截面積和越高的熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)熱阻的降低越有利，這要求設(shè)計(jì)合理的封裝結(jié)構(gòu)和選擇合適的材料。

3. 大功率LED的熱阻計(jì)算
（1） 根據(jù)公式（1），晶片上P-N結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的總熱阻：
Rthja = △Tja/Pd = (Tj-Ta)/Pd
其中： Pd = 消散的功率（W）≈正向電流If * 正向電壓Vf,
ΔTja=Tj-Ta= 結(jié)點(diǎn)溫度 - 環(huán)境溫度 。
（2）設(shè)定晶片上P-N結(jié)點(diǎn)生成的熱沿著以下簡(jiǎn)化的熱路徑傳導(dǎo)：結(jié)點(diǎn)→熱沉→鋁基散熱電路板→空氣/環(huán)境（見圖1），則熱路徑的簡(jiǎn)化模型就是串聯(lián)熱阻回路，如圖2表示：

P-N結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的總熱阻：

Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba

圖2中所示散熱路徑中每個(gè)熱阻抗所對(duì)應(yīng)的元件介于各個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)之間，其中：Rthjs(結(jié)點(diǎn)到熱沉) ＝ 晶片半導(dǎo)體有源層及襯底、粘結(jié)襯底與熱沉材料的熱阻；

Rthsb(熱沉到散熱電路板) ＝熱沉、連結(jié)熱沉與散熱電路板材料的熱阻；

Rthba（散熱電路板到空氣/環(huán)境）＝散熱電路板、表面接觸或介于降溫裝置和電路板之間的粘膠和降溫裝置到環(huán)境空氣的組合熱阻。

根據(jù)公式（2），如果知道了個(gè)材料的尺寸及其熱傳導(dǎo)系數(shù)，可以求出以上各熱阻，進(jìn)而求得總熱阻Rthja。

以下是幾種常見的1W大功率LED的熱阻計(jì)算：以Emitter(1mm×1mm晶片)為例，只考慮主導(dǎo)熱通道的影響，從理論上計(jì)算P-N結(jié)點(diǎn)到熱沉的熱阻Rthjs。

A、正裝晶片/共晶固晶

B、正裝晶片/銀膠固晶

C、si襯底金球倒裝焊晶片/銀膠固晶（見圖3所示）

圖3 倒裝焊晶片/銀膠固晶 大功率LED剖面

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三、大功率LED熱阻的測(cè)量

1. 原理

半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率具有熱敏性，改變溫度可以顯著改變半導(dǎo)體中的載流子的數(shù)量。禁帶寬度通常隨溫度的升高而降低，且在室溫以上隨溫度的變化具有良好的線性關(guān)系，可以認(rèn)為半導(dǎo)體器件的正向壓降與結(jié)溫是線性變化關(guān)系：
ΔVf=kΔTj （K：正向壓降隨溫度變化的系數(shù)）
則從公式（1）及其推導(dǎo)可知，大功率LED的熱阻（結(jié)點(diǎn)到環(huán)境）為：
Rthja＝ΔVf /（K*Pd ）
式中， Pd＝熱消散速率，目前約有60％～70％的電能轉(zhuǎn)化為熱能，可取Pd＝0.65*If*Vf計(jì)算。
只要監(jiān)測(cè)LED正向壓降Vf的改變，便可以求得K值并算出熱阻。

2. 測(cè)量系統(tǒng)

熱阻測(cè)試系統(tǒng)如圖4，要求測(cè)試中采用的恒溫箱控溫精度為±1℃，電壓精度1mv。圖中R1是分流電阻，R2用來調(diào)整流過LED的電流大小，通過電阻R1、R2和恒流源自身的輸出調(diào)節(jié)，可以精確控制流過LED的電流大小，保證整個(gè)測(cè)試過程中流過LED的電流值恒定。

3. 測(cè)試過程
（1）測(cè)量溫度系數(shù)K：
a. 將LED置于溫度為Ta的恒溫箱中足夠時(shí)間至熱平衡,此時(shí)Tj1= Ta ；
b. 用低電流（可以忽略其產(chǎn)生的熱量對(duì)LED的影響，如If’ = 10mA）快速點(diǎn)測(cè)LED的Vf1；
c. 將LED置于溫度為Ta’(Ta’>Ta)的恒溫箱中足夠時(shí)間至熱平衡，Tj2=Ta’；
d. 重復(fù)步驟2，測(cè)得Vf2；
e. 計(jì)算K：K＝(Vf2-Vf1)/(Tj2-Tj1)＝(Vf2-Vf1)/( Ta’- Ta)
（2）測(cè)量在輸入電功率加熱狀態(tài)下的變化：
a. 將LED置于溫度為Ta的恒溫箱中，給LED輸入額定If使其產(chǎn)生自加熱；
b. 維持恒定If足夠時(shí)間至LED工作熱平衡，此時(shí)Vf達(dá)至穩(wěn)定，記錄If ,Vf；
c. 測(cè)量LED熱沉溫度（取其最高點(diǎn)）Ts；
d. 切斷輸入電功率的電源，立即（〈10ms）進(jìn)行（1）之b步驟，測(cè)量Vf3。
（3）數(shù)據(jù)處理：△Vf＝ Vf3－Vf1，
取Pd＝0.65*If*Vf計(jì)算：Rthja＝△Vf/（K*Pd）Rthsa＝（Ts－Ta）/Pd＝（Ts－Ta）/（0.65*IF*Vf）Rthjs＝Rthja－Rthsa

四、討論
1. Tj （P-N結(jié)點(diǎn)溫度）
一般而言，溫度會(huì)影響P-N結(jié)禁帶寬度，結(jié)點(diǎn)溫度升高造成禁帶寬度變窄，使得發(fā)光波長(zhǎng)偏移，并引發(fā)更多的非可見光輻射導(dǎo)致發(fā)光效率降低。另外，晶片溫度過高會(huì)對(duì)晶片粘結(jié)膠及四周的保護(hù)膠造成不良影響，加快其老化速度，甚至可能引起失效。Lumileds公司提出的失效計(jì)算公式如下：

其中， 是結(jié)點(diǎn)溫度為T2時(shí)的失效概率，是結(jié)點(diǎn)溫度為T1時(shí)的失效概率，EA＝ 0.43eV，K＝8.617*10-5 eV/K。根據(jù)此公式，失效概率隨著Tj的升高會(huì)愈來愈槽糕。
大功率LED產(chǎn)品的最高結(jié)點(diǎn)溫度（Tjmax）的高低主要取決于晶片的性能，若是封裝材料受溫度限制則Tjmax需適當(dāng)降低，通常Tjmax不能大于125℃。但是，隨著晶片技術(shù)的進(jìn)步和封裝技術(shù)的提高，目前可見到的K2系列產(chǎn)品之Tjmax已經(jīng)能達(dá)到150℃。
1. 計(jì)算、測(cè)量熱阻的意義
1） 為L(zhǎng)ED封裝散熱設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)踐依據(jù)

a. 選擇合適的晶片：對(duì)晶片不能只要求出光效率高，必需針對(duì)制程中解決散熱的能力采用足夠高

Tjmax的晶片。在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，某些種類的晶片只經(jīng)過24H老化就有較大衰減，這與其耐高溫性能比較差相關(guān)。

b. 評(píng)估/選擇支架、散熱鋁基板：依Rthsa或Rthba作為目標(biāo)值，查對(duì)物料供應(yīng)商提供的物料資料并計(jì)算其熱阻，剔除不合要求的物料。通過試樣，測(cè)試、對(duì)比不同物料的熱阻，可做到擇優(yōu)而用。

C. 評(píng)估粘結(jié)膠及其效果：一般使用到的晶片粘結(jié)膠是銀膠或錫膏，熱沉與散熱鋁基電路板間的結(jié)合膠是導(dǎo)熱硅膠或其它散熱膠，膠體的導(dǎo)熱系數(shù)、膠的厚度、結(jié)合面的質(zhì)量制約熱阻的大小。粘結(jié)膠是否合適，必需通過實(shí)驗(yàn)，測(cè)得熱阻作為評(píng)估結(jié)論的判斷依據(jù)之一。

2） 推測(cè)Tj

通過熱阻等參數(shù)可以推測(cè)Tj，進(jìn)而可以與設(shè)定的Tjmax比較，檢驗(yàn)Tj是否符合要求。晶片溫度與產(chǎn)品失效概率密切相關(guān)，在知悉某Tj時(shí)的失效概率的情況下，可以求得產(chǎn)品在推測(cè)出來的Tj時(shí)的失效概率。
3） 評(píng)估LED工作時(shí)可能遭遇的最高環(huán)境溫度

設(shè)定Tjmax后，相應(yīng)地可以導(dǎo)出環(huán)境溫度的最高值。為了保證產(chǎn)品的信賴性，大功率LED產(chǎn)品應(yīng)給出散熱鋁基電路板的表面最高溫度或環(huán)境（空氣）溫度以指導(dǎo)下游應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)。

2. 在大功率LED的應(yīng)用中改善熱量處理

前面提到大功率LED的P-N結(jié)溫（Tj）過高會(huì)引起發(fā)光衰減、使用壽命縮短、波長(zhǎng)漂移等問題，為保證Tj低于Tjmax，要求合理設(shè)計(jì)二次散熱結(jié)構(gòu),并計(jì)算最大輸入功率、大功率LED應(yīng)用產(chǎn)品的環(huán)境溫度。
設(shè)計(jì)大功率LED應(yīng)用產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)盡量選擇導(dǎo)熱性較好的材料并設(shè)計(jì)散熱通道，減少熱阻薄弱環(huán)節(jié)。使用過程中，對(duì)于Ta較高的環(huán)境，在無法減小熱阻的情況下，可適當(dāng)降低輸入電功率，即減少Pd值，犧牲亮度以保證信賴性。

五、總結(jié)

通過對(duì)大功率LED熱的產(chǎn)生、熱阻、結(jié)溫概念的理解和理論公式的推導(dǎo)及熱阻測(cè)量，我們可以指導(dǎo)大功率LED的實(shí)際封裝設(shè)計(jì)、評(píng)估和產(chǎn)品應(yīng)用。需要說明的是，文中說明的電壓法測(cè)量熱阻方法簡(jiǎn)單但操作上有一定難度，需反復(fù)實(shí)驗(yàn)、修正。熱量管理是在LED產(chǎn)品的發(fā)光效率不高的現(xiàn)階段的關(guān)鍵問題，從根本上提高發(fā)光效率以減少熱能的產(chǎn)生才是釜底抽薪之舉，這需要晶片制造、LED封裝及應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)技術(shù)的進(jìn)步。