LED的发热原因与散热解决与研究.pdfVIP

LED 的发热原因及散热解决研究 2011-03-10 11:48 LED 的散热现在越来越为人们所重视，这是因为LED 的光衰或其寿命是直接和其 结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低10℃ 寿命会延长2 倍。从Cree 公司发布的光衰和结温的关系图 （图1）中可以看出， 结温假如能够控制在65°C，那么其光衰至70％的寿命可以高达10 万小时！这 是人们梦寐以求的寿命，可是真的可以实现吗？是的，只要能够认真地处理它 散热问题就有可能做到！遗憾的是，现在实际 LED 灯的散热和这个要求相去甚 远！以致LED 灯具的寿命变成了一个影响其性能 主要问题，所以必须要认真对 待！ 图1. 光衰和结温的关系 而且，结温不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率，例如Cree 公司 XLamp7090XR-E 的发光量和结温的关系如图2 所示。 图2. 结温和发光量的关系 假如以结温为25 度时的发光为100%，那么结温上升至60 度时，其发光量就 有90%；结温为100 度时就下降到80%；140 度就 有70%。可见改善散热，控制 结温是十分重要 事。 除此以外LED 的发热还会使得其光谱移动；色温升高；正向电流增大 （恒压供电 时）；反向电流也增大；热应力增高；荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题， 所以说，LED 的散热是LED 灯具 设计中最为重要 一个问题。 一部分 LED 芯片的散热 一. 结温是怎么产生 LED 发热的原因是因为所加入 电能并没有全部转化为光能，而是一部分转 化成为热能。LED 的光效目前 有100lm/W，其电光转换效率大约 有20~30%左 右。也就是说大约70% 电能都变成了热能。 具体来说，LED 结温 产生是由于两个因素所引起的。 1． 内部量子效率不高，也就是在电子和空穴复合时， 不能100％都产生 光子，通常称为由“电流泄漏”而使PN 区载流子 复合率降低。泄漏电流乘以 电压就是这部分 功率，也就是转化为热能，但这部分不占主要成分，因为现在 内部光子效率已经接近90％。 2． 内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，这部分是 主要的，因为目前这种称为外部量子效率 有30％左右，大部分都转化为热量 了。 虽然白炽灯的光效很低， 有15lm/W左右，但是它几乎将所有 电能都转化为 光能而辐射出去，因为大部分 辐射能是红外线，所以光效很低，但是却免除了 散热 问题。 二. LED 芯片到底板的散热 LED 芯片 特点是在极小 体积内产生极高的热量。而LED 本身的热容量很小， 所以必须以最快 速度把这些热量传导出去，否则就会产生很高的结温。为了尽 可能地把热量引出到芯片外面，人们在LED 芯片结构上进行了很多改进。 为了改善LED 芯片本身的散热，其最主要 改进就是采用导热更好 衬底材料。 早期 LED 是采用Si 硅作为衬底。后来就改为蓝宝石作为衬底。但是蓝宝石 衬底 导热性能不是太好，（在100°C 时约为25W/ （m-K）），为了改善衬底 的散热，Cree 公司采用碳化硅硅衬底，它 导热性能（490W/ （m-K））要比蓝 宝石高将近20 倍。而且蓝宝石要使用银 固晶，而银 导热也很差。而碳化 硅 唯一缺点是成本比较贵。目前 有Cree 公司生产以碳化硅为衬底 LED。 图3. 蓝宝石和碳化硅衬底 LED 结构图 采用碳化硅作为基底以后， 确可以大为改善其散热，但是其成本过高，而且有 专利保护。最近国内 厂商开始采用硅材料作为基底。因为硅材料 基底不受专 利 限制。而且性能还优于蓝宝石。唯一 问题是GaN 膨胀系数和硅相差太大 而容易发生龟裂，解决 方法是在中间加一层氮化铝 （AlN）作缓冲。 LED 芯片封装以后，从芯片到管脚的热阻就是在应用时最重要 一个热阻，一般 来说,芯片的接面面积 大小是散热的关键，对于不同 额定功率，要求有相应 大小的接面面积。也就表现为不同的热阻。几种类型 LED 的热阻如下所示： 早期 LED 芯片主要靠两根金属电极而引出到芯片外部，最典型的就是称为 ф5 或F5 草帽管，它的散热完全靠两根细细 金属导线引出去，所以散热效果很 差，热阻很大，这也就是为什么这种草帽管的光衰很严重的原因。此外，封装时 采用 材料也是一个很重要 问题。小功率LE