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大功率led结温与器件热阻的关系 1 功率led热设计 由于采用了40多年的绿色能源管道（lightreed），已经使用了40多年。196年，每条sd光的光通量仅为0.001升，如今每条sd光通量超过120升，设备的工作负荷从几个安全距离增加到1000ma。基于目前的半导体制造技术,LED输入功率中只有大约5%～10%的能量转化为光能,其他的则转化为热能。对于大功率器件来说,其输入功率≥1 W,而芯片尺寸则为1 mm×1 mm～2.5 mm×2.5 mm,芯片的功率密度很大,如何控制大功率LED的热能量,是LED器件封装和器件应用设计必须着重解决的核心问题。以前功率二极管、功率三极管、IGBT、MOSFET的热量可以通过安装在仪器机壳板上的、尺寸几乎不受限制的外部散热器散发出去,或在器件贴装散热器再安装散热风扇,主动散热。但这些外部条件对大功率LED应用来说几乎是不存在的,由于功率LED用于照明等场合,控制成本十分重要,同时功率LED外部热沉的尺寸也不允许太大,更不可能容许以加电风扇等方式主动散热。因此,功率LED的热设计十分重要。如果LED器件的热系统设计不完善,从pn结到LED外部环境(及空气)的热阻大,导致pn结结温过高,LED芯片将快速劣化、器件寿命缩短。 2 pn结结温对led寿命的影响 LED器件的出光量与器件结温的关系如图1所示。当结温升高时,蓝、绿和白光LED器件的出光量基本呈线性下降,但绿光LED出光量下降的速率比蓝光、白光LED下降的速率快。 LED结温还直接影响到器件的峰值波长,如图2所示。图2(a)是四元系(AlInGaP)红光LED峰值波长与pn结结温的关系,当pn结结温升高时,红光LED的峰值波长线性增大。图2(b)是GaN基蓝光LED峰值波长与pn结结温的关系曲线。当pn结结温小于一定温度时,随pn结结温的升高峰值波长变短;当pn结结温高于一定温度时,随pn结结温的升高峰值波长又变长。对于目前商品化生产的白光LED(蓝光芯片+荧光粉)来说,如果蓝光波长发生改变,器件输出白光的色度和色温也将发生改变。 图3是美国照明研究中心(Lighting ResearchCenter)通过测试、概率统计得出的LED寿命与结温关系图。图中的横坐标是器件结温,纵坐标是器件半衰期, 单位是小时。器件半衰期是指LED器件输出的光通量从初始值衰减到初始值的一半时所经历的时间。因此,LED器件的pn结结温对LED器件的光通量、波长、色度、器件寿命都存在直接影响。 3 led器件热阻的计算模型 一个典型的大功率发光二极管封装主要由支架、塑料框架、大尺寸芯片、银浆、内部热沉(金属块)、引脚等几个部分组成,如图4所示。 LED 器件的结温主要由器件的环境温度、器件pn结到环境的热阻所决定。热阻是导热介质两端的温度差与通过热流功率的比,单位为℃/W或K/W。大功率LED器件加上外部热沉的总热阻为 RΘJ-A=ΔΤJ-AΡ(1)RΘJ?A=ΔTJ?AP(1) 式中:ΔTJ-A=Tpn结-T环境,单位为℃;P为流经介质的热功率;P=Vf×If-P光。 由于大功率LED封装形式一般采用表面贴装,所以在应用中大功率LED先安装在金属线路板上,如果还需要外部热沉(散热器),则将散热器再安装在金属线路板上。为了使LED器件、外部热沉与金属线路板紧密相连,内部热沉、外部热沉与金属线路板之间应涂敷一层导热胶,一个大功率LED应用示意图及其简单的热路径模型,如图5所示。大功率LED器件加上外部热沉的总热阻可以表示为从pn结到外界环境热路上几个热阻之和,每个热阻对应的部件如图5所示。 RΘJ-A=RΘJ-S+RΘAttach1+RΘS-B+RΘAttach2+RΘB-A(2)RΘJ?A=RΘJ?S+RΘAttach1+RΘS?B+RΘAttach2+RΘB?A(2) 式中:RΘJ-S为LED器件热阻,即pn结到器件内部热沉之间的热阻;RΘAttach1为内部热沉与金属线路板之间导热胶的热阻;RΘS-B为器件内部热沉到金属线路板(Metal core printed circuit board, 简称MCPCB)之间的热沉;RΘAttach2为金属线路板与外部热沉之间导热胶的热阻;RΘB-A为金属线路板通过外部热沉到环境(一般为空气)之间的热阻。 将式(1)变换为: Τpn结=Τ环境+RΘJ-A×Ρ热(3)Tpn结=T环境+RΘJ?A×P热(3) 式中P热=If×Vf-P光(4) 合并式(2)、(3)、(4)得: Τpn结=Τ环境+(RΘJ-S+RΘAttach1+RΘS-B+RΘAttach2+RΘB-A)×(Ιf×Vf-Ρ光)(5)Tpn结=T环境+(RΘJ?S+RΘAttach1+RΘS?B+RΘAttach2+RΘB?A)×(If×Vf?P光