LED热学与光学设计综述难点.docx

LED热学与光学设计论文论文题目：LED热学与光学性能机理研究综述学生姓名： 党俊宁 学 号： 2016022425 院 系： 光电子材料与技术研究所 专 业： 光学工程 授课老师： 章勇教授时间：2017年 1月 8日目录1引言42.LED热学性能相关影响42.1LED热学特性描述42.2封装结构对LED散热的影响42.3对流条件对LED散热的影响63.LED光学性能相关影响73.1LED光学特性描述73.2结温对LED发光性能的影响73.2.1结温与峰值波长的关系73.2.2结温与色温的关系73.2.3结温与光通量的关系83.2.4结温与显色指数的关系84．结论9LED热学与光学性能机理研究综述摘要：对LED热学和光学相关性能的描述，总结出了影响LED热学性能与封装结构和对流条件的关系以及结温通过间接的对峰值波长、显色指数、色温、光通量的响应，从而对LED的发光性能的影响，表明白光LED的峰值波长、显色指数、色温、光通量均与结温成一定的线性关系。关键词：LED热学特性光学性能结温1引言LED作为一种新型冷光源固体材料，已经很广泛的应用在信号灯、字母数字显示器、驾驶汽车、汽车背景光和其他领域。作为发光器件，近几年来白光LED被提出，并且受到广泛的关注。【1】随着电子技术飞速发展，发光二极管(LED)获得突破性进展，使这种由电能转换成光的半导体器件进入照明领域，由于它丰富多样的颜色光，方便选色和变色的优势，适合应用于普通照明、交通信号、航标、广告、庭园及建筑物景观照明等需要多种颜色的场所。为了适应各种LED照明灯具的安全要求，相关检测技术标准及技术规范也迅速发展，最近新颁布的国际标准、国家标准及行业或地方标准数量也较多，且还有一部分LED照明产品国内外标准也正在制定和完善中。【2】固态照明被认为是21世纪最具发展前景的照明光源之一，由于发光二级管 (LED) 体积小、寿命长、节能环保、发光 效率高、色度纯、可靠性高等优点，已经广泛进入信号指示、交通以及航空工具照明、大屏幕显示等重要领域当中，并将在室内外日常照明中扮演重要的角色【3】。2．LED热学性能相关影响2．1 LED热学特性描述半导体器件工作时芯片的最高温度，LED的结温即为p n 结区的温度。导热过程的阻力，取决于器件各组成部分的热传导率，横截面积及厚度，计算式为温度差与沿热流通道上耗散的热功率之比。对于LED，热源是指LED的pn结，因此LED的热阻可以表示为【4】式中: Rθjx为LED的pn结至参考位置的热阻；Ti为pn结的温度；Tx为参考点的温度；Pi为热耗散功率，其值为总的耗散功率（，即为LED正向电流与正向电压的乘积）与光功率（P1）的差值。对于不同类型、制作工艺及功率的LED器件，电光转换效率相差较大，因此在计算LED热阻时所需考虑光功率的影响。2.2 封装结构对LED散热的影响目前，LED有三种典型的封装结构：基于金属线路板的封装结构，该封装结构是将器件直接组装在金属线路板上，形成功率密度LED，金属线路板是采用铝或铜金属作为电路板底材，可作为散热热沉使用，在基板上覆一层几毫米厚的铜箔作线路，由于铝本身为导体，铝基板与铜箔之间必须采用一介质作绝缘，由于低热导率介质绝缘层的存在使得金属线路板热导率有效值约为178W/m·K，模拟结构图如图1（a）所示。传统的正装结构，如Norlux系列，该结构以铝板作为底座，发光区位于其中心部位，铝板同时作为热沉，模拟结构如图1（b）所示。倒装结构，如LUXEON系列，结构将芯片倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅基座上，然后把完成倒装焊接的硅基座装入热沉与管壳中，键合引线封装，模拟结构图如图1（c）所示。【5】SMN为器件中的最低温度值，SMX为器件中的最高温度值，用灰度变化来表示温度变化。为了能够看清结温区，图中只给出了芯片附近温度分布情况，如图2所示，3个图的温度最高点都出现在芯片即有源区。图2（a）结构是将芯片器件直接封装在金属线路板上，达到减少封装内部热沉数量，从而改善大功率LED封装散热性能。本文主要考虑芯片—粘结材料—金属线路板这一热传导路径，跟其他两个结构比起来，该结构热沉最少、传热最快、结温最低，结温为355.58K，热阻为67.75K/W，该结构所用金属线路板的热导率（178W/m·K）比其他两种结构Al基板的小的多（230W/m·K）。可见，减少热沉的个数可以有效地加快LED散热，降低结温。【6】图2（b）结构以铝板作为底座，发光区位于其中心部位，铝板同时作为热沉。本文考虑