LED相关热管理,热欧姆定律

1. LED作为一种新型的半导体光源己愈来愈受到业界的重视，LED灯和背光源己在多领域得到广泛的应用，本文将介绍LED半导体光源的一些特点及相关热管理（Thermal management）的目的、要点、“热欧姆定律”、热流传输及节点温度检测分析方法、导热石墨及铝散热器应用的对比的初步实验结果，供读者参考。

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LED半导体光源的特点

    与白炽灯、传统日光灯及卤素灯不同，LED半导体光源是用半导体材料制成的，由一PN结构成，空穴—电子对复合产生光，工作在PN结的正向，P区为正（阳）极，N区为负（阴）极。LED半导体光源体积小、发光效率高，响应时间短、节能。此外，它还有传统光源所没有的特点：
    1.    与一般PN结器件（如二极管）类似的特性：
    正向（forward）电压必须超过一定的阈值才有电流；
    正向电压和正向电流均为负温度系数，随温度升高而减少；
     反向时，无电流不工作。
    2.    像所有半导体器件一样其工作温度要受以下一些因素的制约：
    结温必须保持在额定值95 oC～125 oC以下（视发光器件而异），否则将引起失效；
    如表面有塑料透镜的，还将受透镜材料熔点温度的限制；
    LED的亮度与正向电流相关，而在结温超过一定值后正向电流减小，亮度减弱。
    通常LED的失效模式有二种可能：光衰变（Light degradation）和整体失效（Total failure）。当发射光降至其初始值的50％时发生光衰变；除超过允许最高结温引起整体失效外，整体失效的发生还由于内部开路所致，这包括：芯片与引线框架之间，芯片与键合丝之间，以及键合丝与引线框架之间等。失效原因之一是LDE树脂玻璃透镜超温，再软化，再冷却后产生的应力使内部发生开路。
    使用者了解这些特性十分重要，特别是其热特性。这不禁使笔者想起当年晶体管取代电子管在电子电路中应用时的情景，由于作为半导体器件的晶体管对温度的敏感性，在应用伊始，一些过去熟悉电子管应用的工程技术人员认为晶体管虽然有许多优点，但其可靠性不如电子管，然而新生事物的力量是不可阻挡的，随着应用技术的进步，采用温度补偿和负反馈抑制温度漂移和稳定工作点等方法，己使晶体管及半导体集成电路技术成为今天电子信息技术的核心技术。在光源技术领域，LED的应用技术也必将经历如何扬长避短这一过程。

    热管理设计与“热欧姆定律”
    进行热管理设计的目的是：
    确保器件在合适的条件下工作，以达到高可靠性；
    防止在超应力条件下驱动，延长LED的工作寿命；
    在最大可能电流下工作，以提高光输出性能。
    热管理的要点是：通过导热和散热使LED工作温度保持在合理的范围内。通常依靠热传导将LED的热量导向散热片，再将“埋在”散热片中的热量散发出去，这一“导”一“散”非常重要，缺一不可，且散热不仅要依靠传导还要靠对流和辐射等方式。
    在进行热管理分析时，常用的基本定律是热流定律即所谓“热欧姆定律”。
    在分析电流传输时，欧姆建立了众所周知的欧姆定律即：U=R*I ，这里R为电阻，I为电流，U为电阻R两端的电位差。而在热流传输时有形式上与其相似形式的定律即： △T=Rth*Po    也被一些应用者称为“热欧姆定律”(实际上此定律与欧姆无关)。
    这里Rth表示热阻，表征热流传输的阻力。单位为oC/W；
    Po为热流，即单位时间传输的热量Po=Q (热量)/t (时间)，量纲与功率相同。
    △T表示热流传输途中两点间的温差，即此两点间热阻上的温差。
    在检测电子电路时我们常用万用表检测相关结点的电位和电位差即电压。而在检测热流传输时则可用点温计、热电偶及及红外热像仪来检测热流传输路径上相关节点的温度及温差。
    在欧姆定律中，串联电路中电流处处相等，而热流传输则并不如此，在某些点会因为热阻过大而使热流传输受阻，使热量积聚。
    用“热欧姆定律”可以检测和估算的有：
    类似于电路分析中建立等效电路，在热流分析时亦可建立等效热流路径图。
     检测和估算LED结温Tj；
    判别相关结点间的散热效果，热阻大小；
    评估使用不同材质散热器时LED工作状态的优劣。
    在热流分析时有几个重要的温度结点分别是：

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    焊点温度Ts，即LED引出端与基座板焊盘处的温度。
    散热器片与外环境界面温度Ta
要使热源LED产生的散出来，使结温Tj保持在合理安全的数值，以期获得器件允许的最大正向电流If得到最高的发光效果是关键所在。

    分析实例
    这里要介绍的三实例是：热流图的建立、计算某SMT封装结构(SMD型)LED的结温Tj，以及使用不同散片材料对LED性能影响的初步实验。
    1．等效热流图

   图1和图2分别为SMT封装(即SMD型)LED内部结构图和静态等效热路。

LED及相关热管理.JPG

图1 SMD型LED内部结构图
图中箭头所指为热流传输路径。

热欧姆定律

图2  SMD型 LED静态等效热路图
    在此静态等效热路中，内部热阻由4部份串联而成，即内部热阻=芯片热阻+芯片键合(附着)热阻+引线框热阻+焊点热阻。外部热阻由特定应用条件所决定，如LED组装在PCB板上，则其外部热阻=焊盘热阻+PCB热阻。
    Po为热流，Tj为结温，Ts为焊点温度，Ta为环境界面温度。
    2.  结温检测及估算：
    对某一(LAE67B)SMT封装结构的LED，用点温计测得焊点温度Ts=70 oC
    同时测得外加正向电压U为2.1V，正向电流为50mA。在产品数据手册中查得LAE67B的热阻值130 oC /W，并假设电功率全部转换为热流，按“热欧姆定律”计算：
    Tj=130130 oC /W *50mA*2.1V+70 oC
    =83.7 oC
    实际结温Tj小于最高允许结温125oC，工作是安全的。
    3.    使用不同散热片材料对LED性能影响的初步实验

    从前述分析可以看出，温度对LED的发光性能、寿命及可靠性都有很大影响，散热效果对了的LED性能的影响是一个涉及面很广研讨课题。本示例仅是初步的实验。
实验中，对同一LED，分别选用铝及导热石墨散热器散热，加相同正向电压，记录正向电流值、焊点温度及照度值。实验结果表明；由于导热石墨材料的热阻远小于铝，LED点亮后在较低电流下石墨散热器处温度Ta升温速率快，经过一段时间平衡后略高于铝板散热器处温度，前者亮度也略高，在长时间开启和较大电流工作情况下，差异逐渐明显。


    结语
    本文介绍了对LED进行热管理设计的重要性、目的要求、设计管理要点、检测分析方法和实例分析。LED灯的整体失效和光衰耗均与温度有关，影响的因素有：LED周边环境温度；在LED接合点和外部间的导热通道；；芯片释放的能量等。虽然进行热管理设计、实施的要点是LED热量的一“导”一“散”降低各部份的热阻。但还是涉及到诸多方面：
     避免外界热量传至LED结合点，使Ta温度升高(如将驱动电路和LED电路板隔开)；
    LED焊盘设计与组装工艺，要考虑热电兼容的因素；
    最重要的是：散热片(器)的选择与组装(包括组装位置与朝向)，也包括新型导热材料与散热片器的选用；
    鉴于篇幅有限，不再赘述。而封装热阻及外散热装热阻都与所用材料的导热性能及组装技术密切相关。这些都是笔者及业界同仁关心的热点，我们期待着在这一领域取得新的进展。

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