LED结温.docx

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LED结温

LED结温，

什么是LED结温

，哪些原因产生LED结温，

降低LED结温的途径又有哪些？

下文将详细进行分析

1、什么是LED的结温？

LED的基本结构是一个半导体的P-N结。

实验指出，当电流流过LED元件时，P-N结的温度将上升，严格意义上说，就把P-N结区的温度定义为LED的结温。

通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。

2、产生LED结温的原因有哪些？

在LED工作时，可存在以下五种情况促使结温不同程度的上升：

a、元件不良的电极结构，视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED元件的串联电阻。

当电流流过P-N结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。

b、b、由于P-N结不可能极端完美，元件的注人效率不会达到100%,也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷（空穴）外，N区也会向P区注人电荷（电子），一般情况下，后一类的电荷注人不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉了。

即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。

c、c、实践证明，出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。

目前，先进的材料生长与元件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能，然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射?

数，致使芯片内部产生的极大部分光子（>90%）无法顺利地溢出介面，而在芯片与介质介面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。

d、d、显然，LED元件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。

散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。

由于环氧胶是低热导材料，因此P-N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层，PCB与热沉向下发散。

显然，相关材料的导热能力将直接影响元件的热散失效率。

一个普通型的LED,从P-N结区到环境温度的总热阻在300到600℃/w之间，对于一个具有良好结构的功率型LED元件，其总热阻约为15到30℃/w.巨大的热阻差异表明普通型LED元件只能在很小的输入功率条件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。

3、降低LED结温的途径有哪些？

a、减少LED本身的热阻；

b、良好的二次散热机构；

c、减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻；

d、控制额定输入功率；

e、降低环境温度LED的输入功率是元件热效应的唯一来源，能量的一部分变成了辐射光能，其?

部分最终均变成了热，从而抬升了元件的温度。

显然，减小LED温升效应的主要方法，一是设法提高元件的电光转换效率（又称外量子效率），使尽可能多的输入功率转变成光能，另一个重要的途径是设法提高元件的热散失能力，使结温产生的热，通过各种途径散发到周围环境中去。

led怕高温的，他的结温是125度，led最高承受温度在80来度，整灯外壳温度一般会要求小于65度，呵呵温度越低越好，大功率的温度一般在80度都是很正常的,当工作时散热不理想使结温升高后，电压小幅变大，导致电流变大，甚至烧坏内部金线。

解决办法是LED采用恒流源驱led外形是环氧树脂胶水，空气温度对他造成死灯的情况不长见，但也不要超出200度。

如果是灯不亮可能是静电给里面的发光芯片击穿先造成漏电，然后死灯的。

还有就是作业时的温度要求，LED因为一般要经过焊接使用的，所以焊接位置是LED胶体下面最少3MM烙铁温度最高260度时间最长3S，但这只是正常LED使用时规格书中的要求，有时超出这个要求也不一定会死灯，但在这个要求之内使用LED一定是正常的，只要作业时防静电做到位。

LED是个光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。

在大功率LED中，散热是个大问题。

例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。

因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。

另外，一般功率器件（如电源IC）的散热计算中，只要结温小于最大允许结温温度（一般是125℃）就可以了。

但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125℃低得多。

其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响：

TJ越高会使LED的出光率越低，寿命越短。

K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系。

在TJ=25℃时，相对出光率为1；TJ=70℃时相对出光率降为0.9；TJ=115℃时，则降到0.8了。

TJ=50℃时，寿命为90000小时；TJ=80℃时，寿命降到34000小时；TJ=115℃时，其寿命只有13300小时了。

TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。

大功率LED的散热路径.

大功率LED在结构设计上是十分重视散热的。

图2是Lumiled公司K2系列的内部结构、图3是NICHIA公司NCCW022的内部结构。

从这两图可以看出：

在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫，它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去。

大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如图4所示。

散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。

为提高散热效率，采用双层敷铜层的PCB，其正反面图形如图5所示。

这是一种最简单的散热结构。

热是从温度高处向温度低处散热。

大功率LED主要的散热路径是：

管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。

若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA,散热垫底部的温度为Tc（TJ＞Tc＞TA），散热路径如图6所示。

在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。

若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：

RJA=RJC+RCB+RBA

各热阻的单位是℃/W。

可以这样理解：

热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。

如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起，则RCB=0，则上式可写成：

RJA=RJC+RBA

散热的计算公式

若结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,则RJA与TJ、TA及PD的关系为：

RJA=（TJ－TA）/PD

（1）

式中PD的单位是W。

PD与LED的正向压降VF及LED的正向电流IF的关系为：

PD=VF×IF

（2）

如果已测出LED散热垫的温度TC，则

（1）式可写成：

RJA=（TJ－TC）/PD+（TC－TA）/PD

则RJC=（TJ－TC）/PD（3）

RBA=（TC－TC）/PD（4）

在散热计算中，当选择了大功率LED后，从数据资料中可找到其RJC值；当确定LED的正向电流IF后，根据LED的VF可计算出PD；若已测出TC的温度，则按（3）式可求出TJ来。

在测TC前，先要做一个实验板（选择某种PCB、确定一定的面积）、焊上LED、输入IF电流，等稳定后，用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度TC。

在（4）式中，TC及TA可以测出，PD可以求出，则RBA值可以计算出来。

若计算出TJ来，代入

（1）式可求出RJA。

这种通过试验、计算出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。

如果计算出来的TJ小于要求（或等于）TJmax，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的TJ大于要求的TJmax，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加PCB的散热面积。

另外，若选择的LED的RJC值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使满足计算出来的TJ≤TJmax。

这一点在计算举例中说明。

各种不同的PCB

目前应用与大功率LED作散热的PCB有三种：

普通双面敷铜板（FR4）、铝合金基敷铜板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用胶粘在铝合金板上的PCB。

MCPCB的结构如图7所示。

各层的厚度尺寸如表3所示。

其散热效果与铜层及金属层厚如度尺寸及绝缘介质的导热性有关。

一般采用35μm铜层及1.5mm铝合金的MCPCB。

柔*PCB粘在铝合金板上的结构如图8所示。

一般采用的各层厚度尺寸如表4所示。

1～3W星状LED采用此结构。

采用高导热性介质的MCPCB有最好的散热性能，但价格较贵。

计算举例

这里采用了NICHIA公司的测量TC的实例中取部分数据作为计算举例。

已知条件如下：

LED：

3W白光LED、型号MCCW022、RJC=16℃/W。

K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。

PCB试验板：

双层敷铜板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积1600mm2。

LED工作状态：

IF=500mA、VF=3.97V。

用K型热电偶点温度计测TC，TC=71℃。

测试时环境温度TA=25℃.

1.TJ计算

TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TC

TJ=16℃/W（500mA×3.97V）

+71℃=103℃

2.RBA计算

RJA=（TC－TA）/PD

=（71℃－25℃）/1.99W

=23.1℃/W

3.RJA计算

RJA=RJC+RBA

=16℃/W+23.1℃/W

=39.1℃/W

如果设计的TJmax=90℃，则按上述条件计算出来的TJ不能满足设计要求，需要改换散热更好的PCB或增大散热面积，并再一次试验及计算，直到满足TJ≤TJmax为止。

另外一种方法是，在采用的LED的RJC值太大时，若更换新型同类产品RJC=9℃/W（IF=500mA时VF=3.65V），其他条件不变，TJ计算为：

TJ=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃

=87.4℃

上式计算中71℃有一些误差，应焊上新的9℃/W的LED重新测TC（测出的值比71℃略小）。

这对计算影响不大。

采用了9℃/W的LED后不用改变PCB材质及面积，其TJ符合设计的要求。

PCB背面加散热片

若计算出来的TJ比设计要求的TJmax大得多，而且在结构上又不允许增加面积时，可考虑将PCB背面粘在"∪"形的铝型材上（或铝板冲压件上），或粘在散热片上，如图10所示。

这两种方法是在多个大功率LED的灯具设计中常用的。

例如，上述计算举例中，在计算出TJ=103℃的PCB背后粘贴一个10℃/W的散热片，其TJ降到80℃左右。

这里要说明的是，上述TC是在室温条件下测得的（室温一般15～30℃）。

若LED灯使用的环境温度TA大于室温时，则实际的TJ要比在室温测量后计算的TJ要高，所以在设计时要考虑这个因素。

若测试时在恒温箱中进行，其温度调到使用时最高环境温度，为最佳。

另外，PCB是水平安装还是垂直安装，其散热条件不同，对测TC有一定影响，灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响。

因此，在设计时要留有余地。

温度越低，LED的寿命约长，在做比较对比试验时，一定要给不同LED装相同的散热型材。

不同厂家生产的晶片主要是工艺的问题吧，一般控制晶片的温度在100度以下比较好，再高的话，LED光衰特别大，但晶片的温度不能测量，一般LED的晶片到铝基板的热阻引起的温度差在20度左右（1W），而铝基板的温度是可以测量的。

我们一般控制LED铝基板的温度在60度以下。

晶片的温度就在80度左右。

LED1W灯珠的寿命如果是在实验室情况下，及常温25摄氏度，做好良好散热的条件下，电流保持在而定的350MA以内，且电源谐波保持在极小的额度内，理论上寿命会在50000到10万小时。

灯珠工作的时候一般要保持散热板的温度不高于60摄氏度，LED的发光波长随温度变化为0．2-0．3nm／℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。

另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1％左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数LED的驱动电流限制在20mA左右。

但是，LED的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。

例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。

此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。

进入21世纪后，LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙LED光效已达到100Im／W，绿LED为501m／W，单只LED的光通量也达到数十Im。

LED芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量，晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强LED内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向