大功率LED散热技术分析

2011-09-27

如果大功率LED在正常发光状态其热能无法导出，将影响LED发光效率。70%的LED会因为过高的接面温度而产生故障：LED的产品生命周期、亮度、产品稳定性等都会随接面温度提高而衰竭。当LED热源无法有效导出，将导致LED接面温度(Junction Temperature)升高，随之影响到的将是光的输出效率衰减。如图 5所示，接面温度与发光效率之关系随着LED 晶粒亮度的提升，单颗LED 的功耗瓦数亦从0.1W 提高至1W、3W 及5W 以上，那么LED 封装模块的热阻抗(Thermal Resistance)由250 至350K/W 大幅降低至现在的小于5K/W 以下。由于这样的技术发展，使得LED 面临到日益严荷的热管理挑战，LED 的热较IC 低，温度升高时不仅会造成亮度下降，且温度超过100°C 时将加速组件的劣化，那么LED 组件本身的散热技术就必需进一步改善以满足高功率LED 的散热需求。

图5：接面温度与发光效率的关系

图 6 所示，LED温度与寿命关系图。对接面温度來说、温度影响到了不只是效率或寿命等关系、接面温度越高而无法排除、最后结果却是影响到了LED 其寿命、温度越高其寿命衰减越快、所以在图6 中显示出温度控制的重要性。

                                                                图6：LED温度与寿命关系图。
        1．LED结温的定义及其分析：
         LED的基本结构是一个半导体的PN结，它是个光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。实验指出：当电流流过LED元件时，PN结的温度将上升，严格意义上说，就把PN结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。（通常用Tj表示）。产生LED结温的原因有哪些？
         ◆在LED工作时，可存在以下四种情况促使结温不同程度的上升：
         A、元件不良的电极结构，视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED元件的串联电阻。当电流流过PN结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。
        B、由于PN结不可能极端完美，元件的注入效率不会达到100％，也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷(空穴)外，N区也会向P区注人电荷(电子)，一般情况下，后一类的电荷注人不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。
        C、实践证明，出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。目前，先进的材料与元件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能，然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的极大部分光子(>90％)无法顺利地溢出介面，而在芯片与介质介面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。
        D、LED元件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。由于环氧树脂胶是低热导材料，因此PN结处产生的热量很难通过透明环氧树脂胶向上散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧树脂胶粘接层，PCB与热沉向下发散。显然，相关材料的导热能力将直接影响元件的热散失效率。一个普通型的LED，从PN结区到环境温度的总热阻在300到600℃/W之间，对于一个具有良好结构的功率型LED元件，其总热阻约为15到30℃/W。巨大的热阻差异表明普通型LED元件只能在很小的输入功率条件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。
         2．降低LED结温的途径有哪些？
        从五个方面去考虑：A、减少LED本身的热阻；B、良好的二次散热机构；C、减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻；D、控制额定输入功率；E、降低使用环境温度。
        LED的输入功率是元件热效应的唯一来源，能量的一部分变成了辐射光能，其余部分最终均变成了热，从而提升了元件的温度。显然，减小LED温升效应的主要方法，一是设法提高元件的电光转换效率（又称外量子效率），使尽可能多的输入功率转变成光能，另一个重要的途径是设法提高元件的热散失能力，使结温产生的热，通过各种途径散发到周围环境中去。
        3．降低LED结温和大功率LED的散热处理：
        在大功率LED中，散热是个大问题。例如，1个10W大功率白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。下表是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）。