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LED的热学分析(一)
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LED由于输入电能的80％~90％转变成为热量（只有大约10％~20％转化为光能），且LED芯片面积小，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。由于散热不良导致的pn结温度升高，将严重影响到发光波长、光强、光效和使用寿命。比如元件每上升2℃可靠性下降10%。而对波长的影响则是随着温度的上升发生红移，发光强度也随之下降。结温是衡量LED封装散热性能的一个重要技术指标。
对于结温的测量一般可分为红外微象法、电学参数法、光谱法、光热阻扫描法、光功率法等.
电学参数法：
一般认为禁带宽度随温度变化呈线性关系，如下所示：
InN: Eg = Eg(0) - 2.45 x 10-4
x T2/(T + 624)
Eg(300K) = 1.970 eV
所以可以认为LED的正向压降与温度也存在线性关系：
( 1) 为LED 封装散热设计提供理论和实践依据
1) 选择合适的晶片: 对晶片不能只要求出光效率高, 必需针对热处理 能力采用足够高Tjmax 的晶片。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。
2) 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。
3) 评估粘结胶及其效果: 一般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、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, 测得热阻作为评估依据。
( 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, 如知悉某Tj 时的失效概率, 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, 可以导出环境温度的最高值。为了保证产品的可信度, 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。
对于结温的测量一般可分为红外微象法、电学参数法、光谱法、光热阻扫描法、光功率法等.
电学参数法：
一般认为禁带宽度随温度变化呈线性关系，如下所示：
| GaN:Eg = Eg(0) - 7.7·10-4x
T2/(T + 600) |
(eV) | |
| Eg(0) = 3.47 eV (wurtzite)
Eg(0) = 3.28 eV (zinc blende) |
Eg(300K) = 1.970 eV
所以可以认为LED的正向压降与温度也存在线性关系：
ΔVf=kΔTj ( k 为正向压降随温度变化的系数)
计算、测量热阻的意义 由于结点到环境的总热阻定义为:
Rthja = △Tja/Pd = (Tj- Ta)/Pd 所以总热阻又可以表示为：
Rthja= ΔVf /( k*Pd ) 式中, Pd= 热消散速率, 目前约有60%～70%的电能转化为热能, 可取Pd= 0.65*I f*Vf 计算。
1 测量温度系数k:
1) 将LED 置于温度为Ta 的恒温箱中足够时间至热平衡,此时Tj1= Ta ;
2) 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;
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;
5) 计算k。
1 测量温度系数k:
1) 将LED 置于温度为Ta 的恒温箱中足够时间至热平衡,此时Tj1= Ta ;
2) 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;
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;
5) 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:
1) 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;
2) 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;
3) 测量LED 热沉温度( 取其最高点) Ts;
1) 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;
2) 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;
3) 测量LED 热沉温度( 取其最高点) Ts;
4) 切断输入电功率的电源, 立即( 小于10ms)进行1中的第2 个步骤, 测量Vf3。
3 数据处理
3 数据处理
△Vf= Vf3-Vf1,
取Pd= 0.65*I f*Vf 计算:Rthja= △Vf/( k*Pd)
= (Vf3-Vf1)(Ta' - Ta)/0.65*If*Vf*(Vf2- Vf1)
Rthsa=( Ts- Ta) /Pd=( Ts-Ta) /( 0.65*I F*Vf)
Rthjs= Rthja- Rthsa
Rthsa=( Ts- Ta) /Pd=( Ts-Ta) /( 0.65*I F*Vf)
Rthjs= Rthja- Rthsa
然后可以根据Rthja=( Tj- Ta) /Pd=( Tj- Ta) /( 0.65*I F*Vf)估计Tj
( 1) 为LED 封装散热设计提供理论和实践依据
1) 选择合适的晶片: 对晶片不能只要求出光效率高, 必需针对热处理 能力采用足够高Tjmax 的晶片。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。
2) 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。
3) 评估粘结胶及其效果: 一般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、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, 测得热阻作为评估依据。
( 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, 如知悉某Tj 时的失效概率, 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, 可以导出环境温度的最高值。为了保证产品的可信度, 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。
