LED的热量管理

2006-8-1 1 LED的热量管理 Thermal Management Considerations for LEDs 裴小明 技术总监 Simen pei CTO 深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd. 22006-8-1 1.LED是冷光源吗？ 一、热对LED的影响 （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。LED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15%有效复合转化为光，大部分（约85%）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。 32006-8-1 2.热对LED性能和结构的影响 其中：Фv（Tj1）=结温Tj1时的光通量 Фv（Tj2）=结温Tj2时的光通量 ΔTj= Tj2 -Tj1 k=温度系数 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。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。 (1)光通量与温度的关系 ①光通量Фv与结温T j的关系 Фv（Tj2）=Фv（Tj1）e -kΔTj 42006-8-1 不同材质类别 LED的温度系数 LED材质类别 温度系数 k AlInGaP/ GaAs橙红色 9.52×10-3 AlInGaP/ GaAs黄色 1.11×10-2 AlInGaP/ GaP高亮红 9.52×10-3 AlInGaP/ GaP黄色 9.52×10-2 AlInGaP类LED光输出与结温关系图 相 对 光 输 出 Tj（℃） 橙红色 黄色 红色 InGaN类LED光输出与结温关系图 相 对 光 输 出 绿色 蓝绿色 蓝色 白色 深蓝色 Tj（℃） 52006-8-1 ②光通量与环境温度的关系 Ta（℃） 相 对 光 通 量 橙红色 黄色 •Ta=100℃时，LED的光通量将下降至室温时的一半左右。 •LED的应用必须考虑温度对光通量的影响。 62006-8-1 (2)波长与结温Tj的关系 λd（Tj2）=λd（Tj1）+kΔTj 白光LED色温—结温飘移曲线 Tj（℃） CCT (K) 白色 k=Δλ/ΔTj : LED波长-结温飘移率 LED颜色 Δλd/ΔTj Δλp/ΔTj 单位 红色 +0.03 +0.13 nm/℃ 橙红色 +0.06 +0.13 nm/℃ 黄色 +0.09 +0.13 nm/℃ 绿色 +0.04 +0.05 nm/℃ 蓝绿色 +0.04 +0.05 nm/℃ 蓝色 +0.04 +0.05 nm/℃ 72006-8-1 (3)正向压降Vf结温Tj的关系 Vf（Tj2）= Vf（Tj1）+kΔTj k=ΔVf/ΔTj：正向压降随结温变化的系数，通常取-2.0mV/℃. 82006-8-1 (4)热对发光效率ηv的影响 ηv= Фv Pd = Фv If ·Vf •在输入功率一定时： 热量↑[结温Tj↑[正向压降Vf↓[电流If↑[热量J[发光效率ηvK •LED内部会形成自加热循环，如果不及时引导和消散LED的 热量，LED的发光效率将不断降低。 (5)热对LED出光通道的影响 •加速出光通道物质的老化； •降低通道物质的透光率； •改变出光通道物质的折射率，影响光线的空间分布； •严重时改变出光通道结构。 92006-8-1 (6)热对LED电通道（欧姆接触/固晶界面）的影响 环氧树脂热膨胀系数随温度变化曲线 •引致封装物质的膨胀或收缩； •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。 102006-8-1 (7)热对LED寿命的影响 不同温度下AlInGaP Power LED老化测试结果 测试时间（小时） 相 对 光 输 出 实际数据 外推数据 实际数据 外推数据 实际数据 外推数据 不同温度下InGaN Power LED老化测试结 果 实际数据 外推数据 实际数据 外推数据 实际数据 外推数据 测试时间（小时） 相 对 光 输 出 1 112006-8-1 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。 122006-8-1 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= ΔT qx 其中：Rth=两点间的热阻（℃/W或K/W） ΔT=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） S T2T1 L 132006-8-1 •LED的热阻计算 Rthja= Tj- Ta Pd = (Ta+ΔTj)- Ta Pd (LED工作热平衡后Tj= Ta+ΔTj) ∴Rthja= ΔTj Pd Rthjb= Tj- Tb Pd = (Ta+ΔTj)- Tb Pd = ΔTj Pd - Tb-Ta Pd = Rthja- Rthba ∴Rthja= Rthjb+ Rthba 142006-8-1 2.分立LED热阻的计算模型 LED热通道上各环节都存在热阻，热通道的简化热 工模型是串联热阻回路。 j a b s Rthjs Rthsb Rthba j s b Rthja= Rthjs+ Rthsb+ Rthba 152006-8-1 Tj Ts Rthjs Rthsb 3.集成LED阵列热阻的计算模型 Tb Ta Rthba 集成LED（假定热阻一致）阵列热阻利用并联阻抗模型计算： 阵列总 Rthjb= 单个LED Rthjb N 162006-8-1 4.几种常见的1W大功率LED的热阻计算 以Emitter（1mm×1mm芯片）为例，只考虑主导热通 道的影响，从理论上计算PN结到热沉的热阻Rthjs。 172006-8-1 A.正装芯片/银胶固晶 导热路径 有源层 衬底 固晶层 热沉 材料 InGaN Al2O3 银胶 Cu λ（W/mK） 170 42 5 264 1.85 L(mm) 0.005 0.1 0.02 1.0 7.065 S(mm2) 1.0 1.0 1.0 19.625 环节热阻（K/W） 0.0294 2.381 4 1.1849 总热阻 Rthjs 7.60(K/W) B.正装芯片/共晶固晶 导热路径 有源层 衬底 固晶层 热沉 材料 InGaN Al2O3 AuSn Cu λ（W/mK） 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 环节热阻（K/W） 0.0294 2.381 0.1724 1.1849 总热阻 Rthjs 3.77(K/W) 182006-8-1 C. Si衬底金球倒装焊芯片/银胶固晶 D. Si衬底金球倒装焊芯片/共晶固晶 导热路径 有源层 倒装焊金球 衬底 固晶层 热沉 材料 InGaN Au Si 银胶 Cu λ（W/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 环节热阻（K/W） 0.0294 2.3367 0.6849 1.6 1.1849 总热阻 Rthjs 5.84K/W) 导热路径 有源层 倒装焊金球 衬底 固晶层 热沉 材料 InGaN Au Si AuSn Cu λ（W/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 环节热阻（K/W） 0.0294 2.3367 0.6849 0.06897 1.1849 总热阻 Rthjs 4.30(K/W) 192006-8-1 F. AlN衬底共晶倒装芯片/共晶固晶 E. AlN衬底共晶倒装芯片/银胶固晶 导热路径 有源层 倒装共晶层 衬底 固晶层 热沉 材料 InGaN AuSn AlN 银胶 Cu λ（W/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 环节热阻（K/W） 0.0294 0.2210 0.5882 1.6 1.1849 总热阻 Rthjs 3.62K/W) 导热路径 有源层 倒装共晶层 衬底 固晶层 热沉 材料 InGaN AuSn AlN AuSn Cu λ（W/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 环节热阻（K/W） 0.0294 0.2210 0.5882 0.06897 1.1849 总热阻 Rthjs 2.09K/W) 202006-8-1 从以上计算可见： ①固晶工艺对LED热阻有较大影响； ②倒装芯片在导热上比正装芯片稍优； ③正装芯片/共晶固晶在导热上并不比倒装芯片差； ④目前实际制造的LED成品热阻Rthjs比以上理论计 算高出1倍左右，说明制造工艺水平还有很大的提升空 间。 212006-8-1 5.几种常见LED的热阻参考值 Type CHIP LED TOP LED Φ3mmLED Φ5mmLED Piranha Snap LED Power LED Rthjs (K/W) 450-550 350-450 250-350 200-300 125-155 60-75 5-20 6.热阻对光输出饱和电流的影响 相 对 光 通 量 输入电流（mA） 热阻值越大，光输出越容易饱和，饱和电流点越低。 222006-8-1 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。 ΔVf=kΔTj （K：正向压降随温度变化的系数） Rthja= ΔTj Pd = ΔVf kPd 只要监测LED正向压降Vf的改变，便可以确定其热阻。 232006-8-1 2.电压法测量LED热阻 （1）测量LED温度系数k ①将LED置于温度为Ta的恒温箱中足够时间至热平 衡，Tj1= Ta； ②用低电流（可以忽略其产生的热量对LED的影响） If’=1mA,快速点测LED的Vf1； ③将LED置于温度为Ta’(Ta’>Ta)的恒温箱中足够时间 至热平衡，Tj2= Ta’； ④重复步骤②，测得Vf2； ⑤k= Vf2-Vf1 Tj2- Tj1 =Vf2-Vf1 Ta’-Ta 242006-8-1 （2）测量LED在输入电功率加热状态下的Vf变化 ①将LED置于温度为Ta的恒温箱中，给LED输入电功率 Pd，使其产生自加热； ②维持If恒定足够时间，至LED工作热平衡，此时Vf达 至稳定，If、Vf； ③测量LED热沉温度Ts(取最高点)； ④切断输入电功率的电源，立即（<10ms）进行（1） 之②步骤，测量Vf3。 252006-8-1 （3）数据处理 3. LED的波长随结温的变化也有良好的线性关 系：Δλ= kΔTj，可以用类似的手段通过波长 漂移法测量热阻，但难度较电压法稍大。 ΔVf= Vf 3- Vf1 Pd= I f ·V f Rthja= ΔVf kPd Rthsa= Ts-Ta Pd Rthjs= Rthja- Rthsa 262006-8-1 五、LED的结温Tj 1.常用的结温测算 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 Tj= Ta+RthjaPd 272006-8-1 2.LED的最大额定结温Tjmax： （常见大功率LED的最大额定结温：120℃；Luxeon K2：185℃） （1）应用中的环境温度T a 应低于最大环境温度T amax Tamax= Tjmax-RthjaPd （2）为保证LED在使用中结温不超出Tjmax，在不同 的环境温度（T a ）下，计算并确保输入电流不超出 I fmax ： Ifmax= Tjmax-Tamax RthjaVf 为确保LED工作的可靠性，在应用中LED的结 温应尽可能低于最大额定结温Tjmax。 282006-8-1 Ta（℃） I fm ax (m A ) AlInGaP类大功率LED InGaN类大功率LED I fm ax (m A ) I fm ax (m A ) Ta（℃） Ta（℃） 电流降级曲线 小功率LED 292006-8-1 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P d ； （5）降低环境温度T a 。 302006-8-1 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 （2）通道材料——导热系数λ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。 •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。 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 312006-8-1 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Rthja= T’jmax-Tamax Pdmax ⑥计算二次散热机构容许的最大热阻 Rthsa= Rthja-Rthjs , Rthba= Rthja-Rthjb 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。 322006-8-1 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。 八、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——