LED热学与光学设计综述难点.docx

LED热学与光学课程论文LED热学与光学设计论文论文题目：LED热学与光学性能机理研究综述学生姓名： 党俊宁 学 号： 2016022425 院 系： 光电子材料与技术研究所 专 业： 光学工程 授课老师： 章勇教授时间：2017年 1月 8日10目录1引言42.LED热学性能相关影响42.1LED热学特性描述42.2封装结构对LED散热的影响42.3对流条件对LED散热的影响63.LED光学性能相关影响73.1LED光学特性描述73.2结温对LED发光性能的影响73.2.1结温与峰值波长的关系73.2.2结温与色温的关系73.2.3结温与光通量的关系83.2.4结温与显色指数的关系84结论9LED热学与光学性能机理研究综述摘要：对LED热学和光学相关性能的描述，总结出了影响LED热学性能与封装结构和对流条件的关系以及结温通过间接的对峰值波长、显色指数、色温、光通量的响应，从而对LED的发光性能的影响，表明白光LED的峰值波长、显色指数、色温、光通量均与结温成一定的线性关系。关键词：LED热学特性光学性能结温1引言LED作为一种新型冷光源固体材料，已经很广泛的应用在信号灯、字母数字显示器、驾驶汽车、汽车背景光和其他领域。作为发光器件，近几年来白光LED被提出，并且受到广泛的关注。【1】随着电子技术飞速发展，发光二极管(LED)获得突破性进展，使这种由电能转换成光的半导体器件进入照明领域，由于它丰富多样的颜色光，方便选色和变色的优势，适合应用于普通照明、交通信号、航标、广告、庭园及建筑物景观照明等需要多种颜色的场所。为了适应各种LED照明灯具的安全要求，相关检测技术标准及技术规范也迅速发展，最近新颁布的国际标准、国家标准及行业或地方标准数量也较多，且还有一部分LED照明产品国内外标准也正在制定和完善中。【2】固态照明被认为是21世纪最具发展前景的照明光源之一，由于发光二级管 (LED) 体积小、寿命长、节能环保、发光 效率高、色度纯、可靠性高等优点，已经广泛进入信号指示、交通以及航空工具照明、大屏幕显示等重要领域当中，并将在室内外日常照明中扮演重要的角色【3】。2LED热学性能相关影响21 LED热学特性描述半导体器件工作时芯片的最高温度，LED的结温即为p n 结区的温度。导热过程的阻力，取决于器件各组成部分的热传导率，横截面积及厚度，计算式为温度差与沿热流通道上耗散的热功率之比。对于LED，热源是指LED的pn结，因此LED的热阻可以表示为Rjx=Ti-TxPjx=Ti-TxVfIf-P1【4】式中: Rjx为LED的pn结至参考位置的热阻；Ti为pn结的温度；Tx为参考点的温度；Pi为热耗散功率，其值为总的耗散功率（VfIf，即为LED正向电流与正向电压的乘积）与光功率（P1）的差值。对于不同类型、制作工艺及功率的LED器件，电光转换效率相差较大，因此在计算LED热阻时所需考虑光功率的影响。2.2 封装结构对LED散热的影响目前，LED有三种典型的封装结构：1） 基于金属线路板的封装结构，该封装结构是将器件直接组装在金属线路板上，形成功率密度LED，金属线路板是采用铝或铜金属作为电路板底材，可作为散热热沉使用，在基板上覆一层几毫米厚的铜箔作线路，由于铝本身为导体，铝基板与铜箔之间必须采用一介质作绝缘，由于低热导率介质绝缘层的存在使得金属线路板热导率有效值约为178W/mK，模拟结构图如图1（a）所示。2） 传统的正装结构，如Norlux系列，该结构以铝板作为底座，发光区位于其中心部位，铝板同时作为热沉，模拟结构如图1（b）所示。3） 倒装结构，如LUXEON系列，结构将芯片倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅基座上，然后把完成倒装焊接的硅基座装入热沉与管壳中，键合引线封装，模拟结构图如图1（c）所示。【5】SMN为器件中的最低温度值，SMX为器件中的最高温度值，用灰度变化来表示温度变化。为了能够看清结温区，图中只给出了芯片附近温度分布情况，如图2所示，3个图的温度最高点都出现在芯片即有源区。图2（a）结构是将芯片器件直接封装在金属线路板上，达到减少封装内部热沉数量，从而改善大功率LED封装散热性能。本文主要考虑芯片粘结材料金属线路板这一热传导路径，跟其他两个结构比起来，该结构热沉最少、传热最快、结温最低，结温为355.58K，热阻为67.75K/W，该结构所用金属线路板的热导率（178W/mK）比其他两种结构Al基板的小的多（230W/mK）。可见，减少热沉的个数可以有效地加快LED散热，降低结温。【6】图2（b）结构以铝板作为底座，发光区位于其中心部位，铝板同时作为热沉。本文考虑的传热路径为芯片衬底粘结材料基板，比结构（a）多了一层热阻 ( 即蓝宝石衬底) ，模拟出来的结温为357.32K，比结构（a）高了1.74K，在所研究的3种封装结构中结构（b）传热最慢，结温最高，热阻为69.78K/W。图2（c）倒装结构中，为了使热量不必经热导率低的芯片衬底蓝宝石，2001年，Lumileds公司研制的AlGaInN功率型倒装芯片结构，该结构芯片倒装连接在硅基座上，热量可以直接传向热导率高的硅基座，再传向基板和散热器，即通过降低内部热沉热阻提高大功率LED的封装散热性能。由于芯片和硅基座通过凸点连接，所以模拟该结构时的传热路径为芯片焊料硅基座粘结材料基板，虽然比结构（b）多一层热阻，即芯片和Si基座之间的焊料产生的热阻，但是倒装结构的结温比正装结构更低，倒装结构的结温为356.91K，比正装结构（b）低0.41K，热阻为69.31K/W。在无法减少热沉个数的情况下，倒装结构的总热阻更小，同时与传统的正装结构相比，采用倒装结构，LED的光提取效率更高【7】。由上可知，优化封装结构可以有效地提高LED散热性能，途径最佳的是减少热沉数量，次之降低热沉热阻，即提高热沉材料的热导率，只是通过优化结构降低结温的幅度不是很大，仅几个K的效果。综上可知，基于金属线路板封装结构（结温355.58K）倒装结构（结温356.91K）正装结构（结温357.32K）。【5】2.3对流条件对LED散热的影响常见对流散热方式有自然对流和强制对流两种，对于小功率器件依靠其自身封装结构进行自然对流散热一般可以满足散热要求，比如可以直接以金属线路板作为热沉向环境散热，或者选择热导率较高，成本相对较低的金属铝作为LED的散热基板，值得注意的是，金属线路板和铝基板的面积和厚度不是越大越好【8】。针对大功率器件、多芯片集成封装的LED模组时，自然对流不能满足要求，需要设计各种散热器来加速流体流动，实现强制对流，如铝散热鳍片、风扇等，散热器的形状和尺寸直接影响强制对流的强度，本文以倒装结构为例，用不同空气对流系数来近似代替不同散热器的作用效果，系统地分析不同的对流系数对LED结温的影响，其他条件与前面一致，结果如图3所示，横坐标为基板底面的对流系数，从15W/（m2K），步长位5W/（m2K），空气流体强制对流热系数范围为20-100W/（m2K），纵坐标为LED的结温。由图3可知，强制对流在一定的速度范围内能改善LED的散热效果。当对流系数从自然对流15W/（m2K）增加为强制对流的20W/（m2K），结温为345.5K，骤降11.4K，效果很好。然而，随着对流系数的逐步增加，结温降低的速度慢慢减缓，当对流系数达到某一个值( 如100W/（m2K）)时，结温趋于一稳定值，为313.0K。由此可以看出，当热量从器件内部靠热传导传到器件表面时，要是能把传导出来的热量尽快散走，则可加速器件散热、降低结温【9】。所以空气本身传热性能很差，而强制对流是强制空气流动，通过冷热空气交换散走热量，空气流动越快，散热效果越好【10】。结温/K对流系数/W（m2K）-1图3LED结温与对流系数的关系曲线图3.LED光学性能相关影响3.1LED光学特性描述LED是结型发光器件,在直接带隙半导体所制成的PN结上加以正偏压,用注入式电致发光方法即可成为LED。【11】LED的特点为其光子是以自发辐射方式产生的,不同半导体材料可制成不同颜色的LED,同时,LED的芯片、外形结构、封装技术等也是影响LED的各种光学特性的原因.其中,发光光强的角分布、峰值波长及其光谱分布、温度对LED光谱的变化的影响是本实验主要探究的问题【12】。32结温对LED发光性能的影响3.21结温与峰值波长的关系以蓝光LED芯片为激发源，激发荧光粉发出峰值为560-580nm的黄绿色光与芯片自身发出的蓝光组成白光是获得白光LED的方法之一。光谱仪所测得的峰值波长还是芯片发出的蓝光的峰值波长，有源区的禁带宽度所决定。当芯片的温度升高时，由有源区的禁带宽度变窄，峰值波长红移【13】。图4为LED样品的光谱曲线，图中左边部分为芯片直接发射的蓝光其峰值波长约为550nm，图5为不同结温下白光LED的峰值波长，在结温从室温上升到125。C的过程中，该样品的峰值波长由445.5nm增加到446.8nm。通过线性拟合，由图5可知由结温升高引起的波长漂移的平均温度系数为0.0156nm/。C，这一结果与文献【14】报道的热效应引起的峰值波长的平均温度系数0.02857nm/K和0.03929nm/K相接近，数值不同是由于所用的芯片来自于不同的厂家，其有源区多量子阱结构不同。图4 不同结温下白光LED的光谱图5 不同结温下白光LED的峰值波长3.22结温与色温的关系图6为LED样品结温与色温的关系，随着结温的升高，LED的色温逐渐增大，且与结温呈现出线性关系。当积分球底座的温度从20。C调节到70。C时，结温从38.11。C变到了97.28。C，色温从8448K升高到9198K。通过线性拟合，得到LED色温随结温的变化系数约为7.664K/。C。LED色温随着结温的升高而升高，是因为结温升高了，光源发出光的颜色发生了变化，蓝色绿光的组分增多或者说黄光的组分减少【15】。温度升高则峰值波长红移，蓝光的辐射通量降低，黄光的辐射通量也会降低； 同时温度升高会影响荧光粉的性能，导致黄光的辐射通量进一步降低【16】。图6 不同结温下白光LED的色温3.23结温与光通量的关系光通量是表征电光源质量高低的一个重要指标。假设某辐射体发出的光线是波长为i的单色光，该辐射体单位时间内所辐射的能量就是辐射通量Fi，该能量中能为人眼所感觉的那部分称为光通量i，它表示单位时间流出光能的大小，单位是lm。光通量是人的眼睛对辐射通量的反应程度的物理量【17】。国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值法确定了人眼对各种波长的平均相对灵敏度，称为人眼的视见函数。我们把单色辐射通量Fi与视见函数（i）之积称为波长i的单色光通量i，i=Fi（i）把所有的单色光通量加起来就是光通量：=。e（）（）d其中，e（）为光谱辐射能通量，也称为辐射功率；（）为人眼的视见函数。【18】图7为LED结温与光通量的关系。随着结温的上升，LED的光通量由47.861lm减少到45.842lm,且与结温呈现出线性关系。通过线性拟合，得到LED光通量随结温的变化系数约-0.0325lm/。C。由图7可以看出，随着点亮时间的增加，结温上升，但光通量在结温上升的过程中增大，表明LED的峰值波长红移，使得蓝光部分的辐射通量与视见函数的积分变大，而黄光部分的辐射通量与视见函数的积分变小，蓝光部分的辐射通量与视见函数的积分变大的量小于黄光部分的辐射通量与视见函数的积分变小的量，所以白光的光通量随温度的升高而变小。 图7 不同结温下白光LED的光通量3.24结温与显色指数的关系显色性是光源的重要指标【19】。太阳光的显色指数(Ra)， 定义为100。显色指数大于80的光源就可以认为是较好质量的白光，适用于对显色性要求较高的室内照明；而大于95则可应用于视觉要求高的场合【20】。图8为LED结温与显色指数的关系。随着结温的上升，LED的显色指数逐渐增大，且与结温呈现出线性关系。通过线性拟合，得到LED显色指数随结温的变化系数约为0.022/。C。显色指数随结温的上升而增大的原因与色温相同，均由于光的颜色中蓝光所占的比例增大，黄光所占的比例减小。图8不同结温下白光LED的显色指数4结论LED的光学与热学性能是它的两个重要参数，通过金属线路板的封装结构减少热沉的个数可以有效地加快LED散热，降低结温。发现对流系数越大，结温越小。对LED的光学特性与结温的关系进行测量，发现结温升高，白光LED的峰值波长、色温、显色指数均增大，且呈一定的线性关系。结温升高，白光LED的光通量降低，同样呈现出一定的线性关系。参考文献【1】Wang M, Tao H, Sun Z, et al. 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