LED燈珠散熱計(jì)算方法及公式

1、2021-11-171LED的熱量管理的熱量管理Thermal Management Considerations for LEDs 22021-11-171.LED是冷光源嗎？一、熱對(duì)一、熱對(duì)LED的影響的影響（1）LED的發(fā)光原理是電子與空穴經(jīng)過(guò)復(fù)合直接發(fā)出光子，過(guò)程中不需要熱量。LED可以稱為冷光源。 （2）LED的發(fā)光需要電流驅(qū)動(dòng)。輸入LED的電能中，只有約15%有效復(fù)合轉(zhuǎn)化為光，大部分（約85%）因無(wú)效復(fù)合而轉(zhuǎn)化為熱。 （3）LED發(fā)光過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，LED并非不會(huì)發(fā)熱的冷光源。 32021-11-172.熱對(duì)LED性能和結(jié)構(gòu)的影響 其中：v（Tj1）=結(jié)溫Tj1時(shí)的光通量 v（T

2、j2）=結(jié)溫Tj2時(shí)的光通量 Tj= Tj2 -Tj1 k=溫度系數(shù) LED電致發(fā)光過(guò)程產(chǎn)生的熱量和工作環(huán)境溫度（Ta）的不同，引起LED芯片結(jié)溫Tj的變化。LED是溫度敏感器件，當(dāng)溫度變化時(shí)，LED的性能和封裝結(jié)構(gòu)都會(huì)受到影響，從而影響LED的可靠性。 (1) 光通量與溫度的關(guān)系 光通量v與結(jié)溫T j的關(guān)系v（Tj2）=v（Tj1）e -kTj42021-11-17不同材質(zhì)類別不同材質(zhì)類別 LED 的溫度系數(shù)的溫度系數(shù) LED 材質(zhì)類別材質(zhì)類別 溫度系數(shù)溫度系數(shù) k AlInGaP/ GaAs 橙紅色 9.5210-3 AlInGaP/ GaAs 黃色 1.1110-2 AlInGaP/ G

3、aP 高亮紅 9.5210-3 AlInGaP/ GaP 黃色 9.5210-2 AlInGaP類類LED光輸出與結(jié)溫關(guān)系圖光輸出與結(jié)溫關(guān)系圖相對(duì)光輸出相對(duì)光輸出Tj（）橙紅色黃色紅色I(xiàn)nGaN類類LED光輸出與結(jié)溫關(guān)系圖光輸出與結(jié)溫關(guān)系圖相對(duì)光輸出相對(duì)光輸出綠色藍(lán)綠色藍(lán)色白色深藍(lán)色Tj（）52021-11-17光通量與環(huán)境溫度的關(guān)系 Ta（）相相對(duì)對(duì)光光通通量量橙紅色黃色Ta=100時(shí)，LED的光通量將下降至室溫時(shí)的一半左右。LED的應(yīng)用必須考慮溫度對(duì)光通量的影響。 62021-11-17(2)波長(zhǎng)與結(jié)溫Tj的關(guān)系 d（Tj2）=d（Tj1）+kTj白光白光LED色溫色溫結(jié)溫飄移曲線結(jié)溫飄移

4、曲線Tj（）CCT(K)白色k=/Tj : LED波長(zhǎng)波長(zhǎng)-結(jié)溫飄移率結(jié)溫飄移率 LED 顏色 d/Tj p/Tj 單位 紅色 +0.03 +0.13 nm/ 橙紅色 +0.06 +0.13 nm/ 黃色 +0.09 +0.13 nm/ 綠色 +0.04 +0.05 nm/ 藍(lán)綠色 +0.04 +0.05 nm/ 藍(lán)色 +0.04 +0.05 nm/ 72021-11-17(3)正向壓降Vf結(jié)溫Tj的關(guān)系 Vf（Tj2）= Vf（Tj1）+kTj k=Vf/Tj ：正向壓降隨結(jié)溫變化的系數(shù)，通常取-2.0mV/. 82021-11-17(4)熱對(duì)發(fā)光效率v的影響 v= =vPd =v I If

5、 f V Vf f 在輸入功率一定時(shí)：熱量結(jié)溫Tj正向壓降Vf電流If熱量發(fā)光效率v LED內(nèi)部會(huì)形成自加熱循環(huán)，如果不及時(shí)引導(dǎo)和消散LED的熱量，LED的發(fā)光效率將不斷降低。 (5)熱對(duì)LED出光通道的影響加速出光通道物質(zhì)的老化；降低通道物質(zhì)的透光率； 改變出光通道物質(zhì)的折射率，影響光線的空間分布； 嚴(yán)重時(shí)改變出光通道結(jié)構(gòu)。 92021-11-17(6)熱對(duì)LED電通道（歐姆接觸/固晶界面）的影響 環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線 引致封裝物質(zhì)的膨脹或收縮； 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。 102

6、021-11-17(7)熱對(duì)LED壽命的影響 不同溫度下不同溫度下AlInGaP Power LED老化測(cè)試結(jié)果老化測(cè)試結(jié)果測(cè)試時(shí)間（小時(shí)）測(cè)試時(shí)間（小時(shí)）相對(duì)光輸出相對(duì)光輸出實(shí)際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)不同溫度下不同溫度下InGaN Power LED老化測(cè)試結(jié)老化測(cè)試結(jié)果果實(shí)際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)外推數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)間（小時(shí)）測(cè)試時(shí)間（小時(shí)）相對(duì)光輸出相對(duì)光輸出1112021-11-17二、LED的熱工模型1. LED熱量的來(lái)源 輸入的電能中（約85%）因無(wú)效復(fù)合而產(chǎn)生的熱量；來(lái)自工作環(huán)境的熱量。 2. LED的熱工模型 LED芯片很微小，其熱容可忽略；輸入電

7、能中大部分（約85%）轉(zhuǎn)化為熱量，一般計(jì)算中忽略轉(zhuǎn)化為光的部分能量（約15%），假設(shè)所有的電能都轉(zhuǎn)變成了熱； 在LED工作熱平衡后， Tj= Ta+RthjaPd 其中Rthja=LED的PN結(jié)與環(huán)境之間的熱阻; Pd= If Vf：LED的輸入功率。 122021-11-17三、LED熱阻的計(jì)算 1.熱阻的概念 熱阻：熱量傳導(dǎo)通道上兩個(gè)參考點(diǎn)之間的溫度差與兩點(diǎn)間熱量傳輸速率的比值。 Rth=Tqx 其中：Rth=兩點(diǎn)間的熱阻（/W或K/W） T=兩點(diǎn)間的溫度差（） qx=兩點(diǎn)間熱量傳遞速率（W） 熱傳導(dǎo)模型的熱阻計(jì)算 Rth=L S 其中：L為熱傳導(dǎo)距離（m） S為熱傳導(dǎo)通道的截面積（m2）

8、 為熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/mK）ST2T1L132021-11-17LED的熱阻計(jì)算 Rthja= Tj- Ta Pd =(Ta+Tj)- TaPd (LED工作熱平衡后Tj= Ta+Tj) Rthja=Tj Pd Rthjb=Tj- Tb Pd =(Ta+Tj)- Tb Pd=Tj Pd -Tb-Ta Pd = Rthja- Rthba Rthja= Rthjb+ Rthba 142021-11-172.分立LED熱阻的計(jì)算模型 LED熱通道上各環(huán)節(jié)都存在熱阻，熱通道的簡(jiǎn)化熱工模型是串聯(lián)熱阻回路。 jabsRthjsRthsbRthbajsbRthja= Rthjs+ Rthsb+ Rthba 1

9、52021-11-17TjTsRthjsRthsb3.集成LED陣列熱阻的計(jì)算模型 TbTaRthba集成LED（假定熱阻一致）陣列熱阻利用并聯(lián)阻抗模型計(jì)算： 陣列總 Rthjb=單個(gè)LED RthjbN 162021-11-174.幾種常見(jiàn)的1W大功率LED的熱阻計(jì)算 以Emitter（1mm1mm芯片）為例，只考慮主導(dǎo)熱通道的影響，從理論上計(jì)算PN結(jié)到熱沉的熱阻Rthjs。 172021-11-17A.正裝芯片/銀膠固晶 導(dǎo)熱路徑導(dǎo)熱路徑 有源層有源層 襯底襯底 固晶層固晶層 熱沉熱沉 材料材料 InGaN Al2O3 銀膠 Cu （W/mKW/mK） 170 42 5 264 1.85

10、L(mm) 0.005 0.1 0.02 1.0 7.065 S(mm2) 1.0 1.0 1.0 19.625 環(huán)節(jié)熱阻（環(huán)節(jié)熱阻（K/W） 0.0294 2.381 4 1.1849 總熱阻總熱阻 Rthjs 7.60(K/W) B.正裝芯片/共晶固晶 導(dǎo)導(dǎo)熱熱路路徑徑 有有源源層層 襯襯底底 固固晶晶層層 熱熱沉沉 材材料料 InGaN Al2O3 AuSn Cu （W W/ /m mK K） 170 42 58 264 1.85 L(mm) 0.005 0.1 0.01 1.0 7.065 S(mm2) 1.0 1.0 1.0 19.625 環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)熱熱阻阻（K/W） 0.0294 2

11、.381 0.1724 1.1849 總總熱熱阻阻 Rthjs 3.77(K/W) 182021-11-17C. Si襯底金球倒裝焊芯片/銀膠固晶 D. Si襯底金球倒裝焊芯片/共晶固晶 導(dǎo)熱路徑導(dǎo)熱路徑 有源層有源層 倒裝焊金球倒裝焊金球 襯底襯底 固晶層固晶層 熱沉熱沉 材料材料 InGaN Au Si 銀膠 Cu （W/mKW/mK） 170 317 146 5 264 1.85 L(mm) 0.005 0.02 0.25 0.02 1.0 7.065 S(mm2) 1.0 0.027 2.5 2.5 19.625 環(huán)節(jié)熱阻（環(huán)節(jié)熱阻（K/W） 0.0294 2.3367 0.6849

12、1.6 1.1849 總熱阻總熱阻 Rthjs 5.84K/W) 導(dǎo)熱路徑導(dǎo)熱路徑 有源層有源層 倒裝焊金球倒裝焊金球 襯底襯底 固晶層固晶層 熱沉熱沉 材料材料 InGaN Au Si AuSn Cu （W/mKW/mK） 170 317 146 58 264 1.85 L(mm) 0.005 0.02 0.25 0.01 1.0 7.065 S(mm2) 1.0 0.027 2.5 2.5 19.625 環(huán)節(jié)熱阻（環(huán)節(jié)熱阻（K/W） 0.0294 2.3367 0.6849 0.06897 1.1849 總熱阻總熱阻 Rthjs 4.30(K/W) 192021-11-17F. AlN襯底

13、共晶倒裝芯片/共晶固晶 E. AlN襯底共晶倒裝芯片/銀膠固晶 導(dǎo)熱路徑導(dǎo)熱路徑 有源層有源層 倒裝共晶層倒裝共晶層 襯底襯底 固晶層固晶層 熱沉熱沉 材料材料 InGaN AuSn AlN 銀膠 Cu （W/mKW/mK） 170 58 170 5 264 1.85 L(mm) 0.005 0.005 0.25 0.02 1.0 7.065 S(mm2) 1.0 0.39 2.5 2.5 19.625 環(huán)節(jié)熱阻環(huán)節(jié)熱阻（K/W） 0.0294 0.2210 0.5882 1.6 1.1849 總熱阻總熱阻 Rthjs 3.62K/W) 導(dǎo)熱路徑導(dǎo)熱路徑 有源層有源層 倒裝共晶層倒裝共晶層 襯

14、底襯底 固晶層固晶層 熱沉熱沉 材料材料 InGaN AuSn AlN AuSn Cu （W/mKW/mK） 170 58 170 58 264 1.85 L(mm) 0.005 0.005 0.25 0.01 1.0 7.065 S(mm2) 1.0 0.39 2.5 2.5 19.625 環(huán)節(jié)熱阻（環(huán)節(jié)熱阻（K/W） 0.0294 0.2210 0.5882 0.06897 1.1849 總熱阻總熱阻 Rthjs 2.09K/W) 202021-11-17從以上計(jì)算可見(jiàn)： 固晶工藝對(duì)LED熱阻有較大影響； 倒裝芯片在導(dǎo)熱上比正裝芯片稍優(yōu)； 正裝芯片/共晶固晶在導(dǎo)熱上并不比倒裝芯片差； 目前

15、實(shí)際制造的LED成品熱阻Rthjs比以上理論計(jì)算高出1倍左右，說(shuō)明制造工藝水平還有很大的提升空間。 212021-11-175.幾種常見(jiàn)LED的熱阻參考值 TypeType CHIP LED TOP LED 3mmLED 5mmLED Piranha Snap LED Power LED Rthjs (K/W) 450-550 350-450 250-350 200-300 125-155 60-75 5-20 6.熱阻對(duì)光輸出飽和電流的影響 相對(duì)光通量相對(duì)光通量輸入電流（輸入電流（mA）熱阻值越大，光輸出越容易飽和，飽和電流點(diǎn)越低。 222021-11-17四、LED熱阻的測(cè)量 1.理論依據(jù)

16、 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?？梢哉J(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。 Vf=kTj （K：正向壓降隨溫度變化的系數(shù)） Rthja=Tj Pd =VfkPd 只要監(jiān)測(cè)LED正向壓降Vf的改變，便可以確定其熱阻。 232021-11-172.電壓法測(cè)量LED熱阻 （1）測(cè)量LED溫度系數(shù)k 將LED置于溫度為Ta 的恒溫箱中足夠時(shí)間至熱平衡，Tj1= Ta ；用低電流（可以忽略其產(chǎn)生的熱量對(duì)LED的影響）If=1mA,快速點(diǎn)測(cè)LED的Vf1； 將LED置于溫度為Ta

17、(TaTa)的恒溫箱中足夠時(shí)間至熱平衡，Tj2= Ta； 重復(fù)步驟，測(cè)得Vf2； k=Vf2-Vf1 Tj2- Tj1 =Vf2-Vf1 Ta-Ta 242021-11-17（2）測(cè)量LED在輸入電功率加熱狀態(tài)下的Vf變化 將LED置于溫度為Ta的恒溫箱中，給LED輸入電功率Pd，使其產(chǎn)生自加熱；維持If恒定足夠時(shí)間，至LED工作熱平衡，此時(shí)Vf達(dá)至穩(wěn)定，記錄If、Vf；測(cè)量LED熱沉溫度Ts(取最高點(diǎn))；切斷輸入電功率的電源，立即（10ms）進(jìn)行（1）之步驟，測(cè)量Vf3。252021-11-17（3）數(shù)據(jù)處理 3. LED的波長(zhǎng)隨結(jié)溫的變化也有良好的線性關(guān)系：= = k kTj，可以用類似的

18、手段通過(guò)波長(zhǎng)漂移法測(cè)量熱阻，但難度較電壓法稍大。 Vf= Vf3- - Vf1 Pd= I If V Vf Rthja=VfkPd Rthsa=Ts-Ta Pd Rthjs= Rthja- Rthsa 262021-11-17五、LED的結(jié)溫Tj 1.常用的結(jié)溫測(cè)算方法 LED的結(jié)溫TJ無(wú)法直接測(cè)量，只能通過(guò)間接的方式進(jìn)行測(cè)量估算。 （1）熱影像法 用精密熱影像儀聚焦LED芯片PN結(jié)層面，拍攝熱影像，對(duì)應(yīng)出Tj。 （2）熱阻測(cè)量法 Tj= Ta+RthjaPd 272021-11-172.LED的最大額定結(jié)溫Tjmax： （常見(jiàn)大功率LED的最大額定結(jié)溫：120；Luxeon K2：185）（

19、1）應(yīng)用中的環(huán)境溫度Ta應(yīng)低于最大環(huán)境溫度Tamax Tamax= Tjmax-RthjaPd（2）為保證LED在使用中結(jié)溫不超出Tjmax，在不同的環(huán)境溫度（Ta）下，計(jì)算并確保輸入電流不超出Ifmax：Ifmax=Tjmax-Tamax RthjaVf 為確保LED工作的可靠性，在應(yīng)用中LED的結(jié)溫應(yīng)盡可能低于最大額定結(jié)溫Tjmax。282021-11-17Ta（）Ifmax(mA)AlInGaP類大功率類大功率LEDInGaN類大功率類大功率LEDIfmax(mA)Ifmax(mA)Ta（）Ta（）電流降級(jí)曲線電流降級(jí)曲線小功率小功率LED292021-11-173.降低LED結(jié)溫的途徑 （1）減少LED本身的熱阻； （2）良好的二次散熱機(jī)構(gòu)； （3）減少LED與二次散熱機(jī)構(gòu)安裝界面之間的熱阻； （4）控制額定輸入功率Pd；