大功率LED的热量分析与设计.doc

八、大功率LED的热量分析与设计引言随着LED超高亮度的出现及LED色彩的丰富，LED的应用也由最初的指示扩展到交通、大屏幕显示、汽车刹车灯、转向灯、工程建筑装饰灯、特种照明领域并正在向普通照明积极推进。阻碍这一发展的最大敌害是LED的热量管理，因此从事热阻、结温、热参数匹配等问题的研究和改进具有深远的意义。如何降低大功率LED的热阻、结温，使PN结产生的热量能尽快的散发出去，不仅可提高产品的发光效率，提高产品的饱和电流，同时也提高了产品的可靠性和寿命。据有关资料分析，大约70的故障来自LED的温度过高，并且在负载为额定功率的一半的情况下温度每升高200C故障就上升一倍。为了降低产品的热阻，首先封装材料的选择显得尤为重要，包括晶片、金线，硅胶、热沉、粘结胶等,各材料的热阻要低即要求导热性能好；其次结构设计要合理，各材料间的导热性能和膨胀系数要连续匹配。避免导热通道中产生散热瓶颈或因封装物质的膨胀或收缩产生的形变应力，使欧姆接触、固晶界面的位移增大，造成LED开路和突然失效。目前测量半导体器件工作温度及热阻的主要方法有：红外微象仪法，电压参数法，还有光谱法，光热阻扫描法及光功率法。其中电压法测量LED热阻最常用。（一）LED热的产生、传导和疏散与传统光源一样，半导体发光二极管（LED）在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在P-N结附近辐射出来的光还需经过晶片（chip）本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界（空气）。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、晶片外部光取出效率等，最终大概只有30-40的输入电能转化为光能，其余60-70的能量主要以非辐射合发生的点阵振动的形式转化热能。而晶片温度的升高，则会增强非辐射复合，进一步消弱发光效率。大功率LED一般都有超过1W的电输入功率，其产生的热量相当可观，解决散热问题乃当务之急。通常来说，大功率LED照明光源需要解决的散热问题涉及以下几个环节：1. 晶片PN结到外延层；2. 外延层到封装基板；3. 封装基板到外部冷却装置再到空气。这三个环节构成大功率LED光源热传导的主要通道，热传导通道上任何薄弱环节都会使热导设计毁于一旦。热的传播方式可分为三种：（1）传导热量是通过逐个原子传递的，所以不能采用高热阻的界面材料；（2）对流热量通过流转的介质（空气、水）扩散和对流，从散热器传递到周围环境中去，故不要限制或阻止对流；（3 ）辐射热量依靠电磁波经过液体、气体或真空传递。对大功率LED照明光源而言传导方式起最主要的作用，为了取得好的导热效果，三个导热环节应采用热导系数高的材料，并尽量提高对流散热。（二）大功率LED热阻的计算1.热阻是指热量传递通道上两个参点之间的温度差与两点间热量传输速率的比值：RthT/qx （1）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）。2. 热传导模型的热阻计算RthL/S （2）其中： L为热传导距离（m），S为热传导通道的截面积（m2），为热传导系数（W/mK）。越短的热传导距离、越大的截面积和越高的热传导系数对热阻的降低越有利，这要求设计合理的封装结构和选择合适的材料。3. 大功率LED的热阻计算（1） 根据公式（1），晶片上P-N结点到环境的总热阻：Rthja = Tja/Pd = (Tj-Ta)/Pd其中： Pd = 消散的功率（W）正向电流If * 正向电压Vf,Tja=Tj-Ta= 结点温度- 环境温度（2）设定晶片上P-N结点生成的热沿着以下简化的热路径传导：结点热沉铝基散热电路板空气/环境（见图1），则热路径的简化模型就是串联热阻回路，如图2表示：P-N结点到环境的总热阻：Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba图2中所示散热路径中每个热阻抗所对应的元件介于各个温度节点之间，其中：Rthjs(结点到热沉) 晶片半导体有源层及衬底、粘结衬底与热沉材料的热阻；Rthsb(热沉到散热电路板) 热沉、连结热沉与散热电路板材料的热阻；Rthba（散热电路板到空气/环境）散热电路板、表面接触或介于降温装置和电路板之间的粘胶和降温装置到环境空气的组合热阻。根据公式（2），如果知道了个材料的尺寸及其热传导系数，可以求出以上各热阻，进而求得总热阻Rthja。以下是几种常见的1W大功率LED的热阻计算：以Emitter(1mm1mm晶片)为例，只考虑主导热通道的影响，从理论上计算P-N结点到热沉的热阻Rthjs。A、正装晶片/共晶固晶B、正装晶片/银胶固晶C、si衬底金球倒装焊晶片/银胶固晶（见图3所示）图3 倒装焊晶片/银胶固晶大功率LED剖面图（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：Vf=kTj（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：RthjaVf /（K*Pd ）式中， Pd热消散速率，目前约有6070的电能转化为热能，可取Pd0.65*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(TaTa)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 Vf3Vf1，取Pd0.65*If*Vf计算：RthjaVf/（K*Pd）Rthsa（TsTa）/Pd（TsTa）/（0.65*IF*Vf）RthjsRthjaRthsa（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，K8.617*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。LED热设计之导热材料的选择LED灯特别是大功率的LED灯，铝基板与散热器之间都会用到导热材料，我现在看到的有用导热胶片的，有用导热膏的，不知道各位LED的专家对LED这个行业中，导热材料的选择有什么高见呢？1.关于导热膏优点:材料为膏状,常用的导热率在3-4W/M.K,优点是材料的适应性比较好,适合各种形状的铝基板,不会产生边角料注意点:是期高温状态下使用,导热膏内有游离物质析出,污染相关资料及测试报告（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。九、大功率LED的散热设计近年来，大功率LED发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED。与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。例如，Edison公司前几年的20W白光LED，其光通量为700lm，发光效率为35lm/W。2007年开发的100W白光LED，其光通量为6000lm，发光效率为60lm/W。又例如，Lumiled公司最近开发的K2白光LED，与其、系列同类产品比较如表1所示。从表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较大的改进。Cree公司新推出的XLamp XRE冷白光LED，其最高亮度挡QS在350mA时光通量可达107114lm。这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。图1是K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系曲线。在TJ=25时，相对出光率为1；TJ=70时相对出光率降为0.9；TJ=115时，则降到0.8了。表2是Edison公司给出的大功率白光LED的结温TJ在亮度衰减70%时与寿命的关系（不同LED生产厂家的寿命并不相同，仅做参考）在表2中可看出：TJ=50时，寿命为90000小时；TJ=80时，寿命降到34000小时；TJ=115时，其寿命只有13300小时了。TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJTJmax。大功率LED在结构设计上是十分重视散热的。图2是Lumiled公司K2系列的内部结构、图3是NICHIA公司NCCW022的内部结构。从这两图可以看出：在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫，它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去。图5 双层敷铜层散热结大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如图4所示。散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。为提高散热效率，采用双层敷铜层的PCB，其正反面图形如图5所示。这是一种最简单的散热结构。热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED主要的散热路径是：管芯散热垫印制板敷铜层印制板环境空气。若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA,散热垫底部的温度为Tc（TJTcTA），散热路径如图6所示。在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：RJA=RJC+RCB+RBA各热阻的单位是/W。可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起，则RCB=0，则上式可写成：RJA=RJC+RBA散热的计算公式若结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,则RJA与TJ、TA及PD的关系为：RJA=（TJTA）/PD (1)式中PD的单位是W。PD与LED的正向压降VF及LED的正向电流IF的关系为：PD=VFIF (2)如果已测出LED散热垫的温度TC，则(1)式可写成：RJA=(TJTC)/PD+(TC-TA)/PD则RJC=(TJTC)/PD (3)RBA=(TCTC)/PD (4)在散热计算中，当选择了大功率LED后，从数据资料中可找到其RJC值；当确定LED的正向电流IF后，根据LED的VF可计算出PD；若已测出TC的温度，则按（3）式可求出TJ来。在测TC前，先要做一个实验板（选择某种PCB、确定一定的面积）、焊上LED、输入IF电流，等稳定后，用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度TC。在（4）式中，TC及TA可以测出，PD可以求出，则RBA值可以计算出来。若计算出TJ来，代入（1）式可求出RJA。这种通过试验、计算出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。如果计算出来的TJ小于要求（或等于）TJmax，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的TJ大于要求的TJmax，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加PCB的散热面积。另外，若选择的LED的RJC值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使满足计算出来的TJTJmax。这一点在计算举例中说明。其散热效果与铜层及金属层厚如度尺寸及绝缘介质的导热性有关。一般采用35m铜层及1.5mm铝合金的MCPCB。柔性PCB粘在铝合金板上的结构如图8所示。一般采用的各层厚度尺寸如表4所示。13W星状LED采用此结构。采用高导热性介质的MCPCB有最好的散热性能，但价格较贵。计算举例 这里采用了NICHIA公司的测量TC的实例中取部分数据作为计算举例。已知条件如下：LED：3W白光LED、型号MCCW022、RJC=16/W。K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。PCB试验板：双层敷铜板（4040mm）、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积1600mm2。LED工作状态：IF=500mA、VF = 3.97V。按图9用K型热电偶点温度计测TC，TC=71。测试时环境温度TA = 25.1.TJ计算TJ=RJCPD+TC=RJC（IFVF）+TCTJ=16/W（500mA3.97V）+71=103 2.RBA计算RJA=（TCTA）/PD=（7125）/1.99W=23.1/W3.RJA计算RJA=RJC+RBA =16/W+23.1/W=39.1/W如果设计的TJmax=90，则按上述条件计算出来的TJ不能满足设计要求，需要改换