【圖】大功率LED熱阻及熱傳導的計算方法
(2012/2/1 0:10:00)
大功率LED熱阻及熱傳導的計算方法
大功率LED熱阻及熱傳導的計算方法
引言
隨著LED超高亮度的出現及LED色彩的豐富，LED的應用也由最初的指示擴展到交通、大屏幕顯示、汽車剎車燈、轉向燈、工程建筑裝飾燈、特種照明領域并正在向普通照明積極推進。阻礙這一發展的最大敵害是LED的熱量管理，因此從事熱阻、結溫、熱參數匹配等問題的研究和改進具有深遠的意義。
如何降低大功率LED的熱阻、結溫，使PN結產生的熱量能盡快的散發出去，不僅可提高產品的發光效率，提高產品的飽和電流，同時也提高了產品的可靠性和壽命。據有關資料分析，大約70％的故障來自LED的溫度過高，并且在負載為額定功率的一半的情況下溫度每升高200C故障就上升一倍。為了降低產品的熱阻，首先封裝材料的選擇顯得尤為重要，包括晶片、金線，硅膠、熱沉、粘結膠等,各材料的熱阻要低即要求導熱性能好；其次結構設計要合理，各材料間的導熱性能和膨脹系數要連續匹配。避免導熱通道中產生散熱瓶頸或因封裝物質的膨脹或收縮產生的形變應力，使歐姆接觸、固晶界面的位移增大，造成LED開路和突然失效。
目前測量半導體器件工作溫度及熱阻的主要方法有：紅外微象儀法，電壓參數法，還有光譜法，光熱阻掃描法及光功率法。其中電壓法測量LED熱阻最常用。
一． LED熱的產生、傳導和疏散
與傳統光源一樣，半導體發光二極管（LED）在工作期間也會產生熱量，其多少取決于整體的發光效率。在外加電能量作用下，電子和空穴的輻射復合發生電致發光，在P-N結附近輻射出來的光還需經過晶片（chip）本身的半導體介質和封裝介質才能抵達外界（空氣）。綜合電流注入效率、輻射發光量子效率、晶片外部光取出效率等，最終大概只有30-40％的輸入電能轉化為光能，其余60-70％的能量主要以非輻射復合發生的點陣振動的形式轉化熱能。而晶片溫度的升高，則會增強非輻射復合，進一步消弱發光效率。
大功率LED一般都有超過1W的電輸入功率，其產生的熱量相當可觀，解決散熱問題乃當務之急。通常來說，大功率LED照明光源需要解決的散熱問題涉及以下幾個環節：
1. 晶片PN結到外延層 ；
2. 外延層到封裝基板 ；
3. 封裝基板到外部冷卻裝置再到空氣。
這三個環節構成大功率LED光源熱傳導的主要通道，熱傳導通道上任何薄弱環節都會使熱導設計毀于一旦。熱的傳播方式可分為三種：（1）傳導——熱量是通過逐個原子傳遞的，所以不能采用高熱阻的界面材料；（2）對流——熱量通過流轉的介質（空氣、水）擴散和對流，從散熱器傳遞到周圍環境中去，故不要限制或阻止對流；（3 ）輻射——熱量依靠電磁波經過液體、氣體或真空傳遞。對大功率LED照明光源而言傳導方式起最主要的作用，為了取得好的導熱效果，三個導熱環節應采用熱導系數高的材料，并盡量提高對流散熱。
二． 大功率LED熱阻的計算
1.熱阻是指熱量傳遞通道上兩個參點之間的溫度差與兩點間熱量傳輸速率的比值：
Rth＝△T/qx （1）
其中：Rth=兩點間的熱阻（℃/W或K/W），ΔT=兩點間的溫度差（℃），qx=兩點間熱量傳遞速率（W）。
2. 熱傳導模型的熱阻計算
Rth＝L/λS （2）
其中： L為熱傳導距離（m），S為熱傳導通道的截面積（m2），λ為熱傳導系數（W/mK）。越短的熱傳導距離、越大的截面積和越高的熱傳導系數對熱阻的降低越有利，這要求設計合理的封裝結構和選擇合適的材料。
3. 大功率LED的熱阻計算
（1） 根據公式（1），晶片上P-N結點到環境的總熱阻：
Rthja = △Tja/Pd = (Tj-Ta)/Pd
其中： Pd = 消散的功率（W）≈正向電流If * 正向電壓Vf,
ΔTja=Tj-Ta= 結點溫度 - 環境溫度 。
（2）設定晶片上P-N結點生成的熱沿著以下簡化的熱路徑傳導：結點→熱沉→鋁基散熱電路板→空氣/環境（見圖1），則熱路徑的簡化模型就是串聯熱阻回路，如圖2表示：
P-N結點到環境的總熱阻：
Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba
圖2中所示散熱路徑中每個熱阻抗所對應的元件介于各個溫度節點之間，其中：Rthjs(結點到熱沉) ＝ 晶片半導體有源層及襯底、粘結襯底與熱沉材料的熱阻；
Rthsb(熱沉到散熱電路板) ＝ 熱沉、連結熱沉與散熱電路板材料的熱阻；
Rthba（散熱電路板到空氣/環境）＝ 散熱電路板、表面接觸或介于降溫裝置和電路板之間的粘膠和降溫裝置到環境空氣的組合熱阻。
根據公式（2），如果知道了個材料的尺寸及其熱傳導系數，可以求出以上各熱阻，進而求得總熱阻Rthja。
以下是幾種常見的1W大功率LED的熱阻計算：以Emitter(1mm×1mm晶片)為例，只考慮主導熱通道的影響，從理論上計算P-N結點到熱沉的熱阻Rthjs。
A、正裝晶片/共晶固晶
B、正裝晶片/銀膠固晶
C、si襯底金球倒裝焊晶片/銀膠固晶（見圖3所示）
大功率LED熱阻及熱傳導的計算方法
引言
隨著LED超高亮度的出現及LED色彩的豐富，LED的應用也由最初的指示擴展到交通、大屏幕顯示、汽車剎車燈、轉向燈、工程建筑裝飾燈、特種照明領域并正在向普通照明積極推進。阻礙這一發展的最大敵害是LED的熱量管理，因此從事熱阻、結溫、熱參數匹配等問題的研究和改進具有深遠的意義。
如何降低大功率LED的熱阻、結溫，使PN結產生的熱量能盡快的散發出去，不僅可提高產品的發光效率，提高產品的飽和電流，同時也提高了產品的可靠性和壽命。據有關資料分析，大約70％的故障來自LED的溫度過高，并且在負載為額定功率的一半的情況下溫度每升高200C故障就上升一倍。為了降低產品的熱阻，首先封裝材料的選擇顯得尤為重要，包括晶片、金線，硅膠、熱沉、粘結膠等,各材料的熱阻要低即要求導熱性能好；其次結構設計要合理，各材料間的導熱性能和膨脹系數要連續匹配。避免導熱通道中產生散熱瓶頸或因封裝物質的膨脹或收縮產生的形變應力，使歐姆接觸、固晶界面的位移增大，造成LED開路和突然失效。
目前測量半導體器件工作溫度及熱阻的主要方法有：紅外微象儀法，電壓參數法，還有光譜法，光熱阻掃描法及光功率法。其中電壓法測量LED熱阻最常用。
一． LED熱的產生、傳導和疏散
與傳統光源一樣，半導體發光二極管（LED）在工作期間也會產生熱量，其多少取決于整體的發光效率。在外加電能量作用下，電子和空穴的輻射復合發生電致發光，在P-N結附近輻射出來的光還需經過晶片（chip）本身的半導體介質和封裝介質才能抵達外界（空氣）。綜合電流注入效率、輻射發光量子效率、晶片外部光取出效率等，最終大概只有30-40％的輸入電能轉化為光能，其余60-70％的能量主要以非輻射復合發生的點陣振動的形式轉化熱能。而晶片溫度的升高，則會增強非輻射復合，進一步消弱發光效率。
大功率LED一般都有超過1W的電輸入功率，其產生的熱量相當可觀，解決散熱問題乃當務之急。通常來說，大功率LED照明光源需要解決的散熱問題涉及以下幾個環節：
1. 晶片PN結到外延層 ；
2. 外延層到封裝基板 ；
3. 封裝基板到外部冷卻裝置再到空氣。
這三個環節構成大功率LED光源熱傳導的主要通道，熱傳導通道上任何薄弱環節都會使熱導設計毀于一旦。熱的傳播方式可分為三種：（1）傳導——熱量是通過逐個原子傳遞的，所以不能采用高熱阻的界面材料；（2）對流——熱量通過流轉的介質（空氣、水）擴散和對流，從散熱器傳遞到周圍環境中去，故不要限制或阻止對流；（3 ）輻射——熱量依靠電磁波經過液體、氣體或真空傳遞。對大功率LED照明光源而言傳導方式起最主要的作用，為了取得好的導熱效果，三個導熱環節應采用熱導系數高的材料，并盡量提高對流散熱。
二． 大功率LED熱阻的計算
1.熱阻是指熱量傳遞通道上兩個參點之間的溫度差與兩點間熱量傳輸速率的比值：
Rth＝△T/qx （1）
其中：Rth=兩點間的熱阻（℃/W或K/W），ΔT=兩點間的溫度差（℃），qx=兩點間熱量傳遞速率（W）。
2. 熱傳導模型的熱阻計算
Rth＝L/λS （2）
其中： L為熱傳導距離（m），S為熱傳導通道的截面積（m2），λ為熱傳導系數（W/mK）。越短的熱傳導距離、越大的截面積和越高的熱傳導系數對熱阻的降低越有利，這要求設計合理的封裝結構和選擇合適的材料。
3. 大功率LED的熱阻計算
（1） 根據公式（1），晶片上P-N結點到環境的總熱阻：
Rthja = △Tja/Pd = (Tj-Ta)/Pd
其中： Pd = 消散的功率（W）≈正向電流If * 正向電壓Vf,
ΔTja=Tj-Ta= 結點溫度 - 環境溫度 。
（2）設定晶片上P-N結點生成的熱沿著以下簡化的熱路徑傳導：結點→熱沉→鋁基散熱電路板→空氣/環境（見圖1），則熱路徑的簡化模型就是串聯熱阻回路，如圖2表示：
P-N結點到環境的總熱阻：
Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba
圖2中所示散熱路徑中每個熱阻抗所對應的元件介于各個溫度節點之間，其中：Rthjs(結點到熱沉) ＝ 晶片半導體有源層及襯底、粘結襯底與熱沉材料的熱阻；
Rthsb(熱沉到散熱電路板) ＝ 熱沉、連結熱沉與散熱電路板材料的熱阻；
Rthba（散熱電路板到空氣/環境）＝ 散熱電路板、表面接觸或介于降溫裝置和電路板之間的粘膠和降溫裝置到環境空氣的組合熱阻。
根據公式（2），如果知道了個材料的尺寸及其熱傳導系數，可以求出以上各熱阻，進而求得總熱阻Rthja。
以下是幾種常見的1W大功率LED的熱阻計算：以Emitter(1mm×1mm晶片)為例，只考慮主導熱通道的影響，從理論上計算P-N結點到熱沉的熱阻Rthjs。
A、正裝晶片/共晶固晶
B、正裝晶片/銀膠固晶
C、si襯底金球倒裝焊晶片/銀膠固晶（見圖3所示）
圖3 倒裝焊晶片/銀膠固晶 大功率LED剖面圖
三、大功率LED熱阻的測量
1. 原理
半導體材料的電導率具有熱敏性，改變溫度可以顯著改變半導體中的載流子的數量。禁帶寬度通常隨溫度的升高而降低，且在室溫以上隨溫度的變化具有良好的線性關系，可以認為半導體器件的正向壓降與結溫是線性變化關系：
ΔVf=kΔTj （K：正向壓降隨溫度變化的系數）
則從公式（1）及其推導可知，大功率LED的熱阻（結點到環境）為：
Rthja＝ΔVf /（K*Pd ）
式中， Pd＝熱消散速率，目前約有60％～70％的電能轉化為熱能，可取Pd＝0.65*If*Vf計算。
只要監測LED正向壓降Vf的改變，便可以求得K值并算出熱阻。
2. 測量系統
熱阻測試系統如圖4，要求測試中采用的恒溫箱控溫精度為±1℃，電壓精度1mv。圖中R1是分流電阻，R2用來調整流過LED的電流大小，通過電阻R1、R2和恒流源自身的輸出調節，可以精確控制流過LED的電流大小，保證整個測試過程中流過LED的電流值恒定。
3. 測試過程
（1）測量溫度系數K：
a. 將LED置于溫度為Ta的恒溫箱中足夠時間至熱平衡,此時Tj1= Ta ；
b. 用低電流（可以忽略其產生的熱量對LED的影響，如If’ = 10mA）快速點測LED的Vf1；
c. 將LED置于溫度為Ta’(Ta’>Ta)的恒溫箱中足夠時間至熱平衡，Tj2=Ta’；
d. 重復步驟2，測得Vf2；
e. 計算K：
K＝(Vf2-Vf1)/(Tj2-Tj1)＝(Vf2-Vf1)/( Ta’- Ta)
（2）測量在輸入電功率加熱狀態下的變化：
a. 將LED置于溫度為Ta的恒溫箱中，給LED輸入額定If使其產生自加熱；
b. 維持恒定If足夠時間至LED工作熱平衡，此時Vf達至穩定，記錄If ,Vf；
c. 測量LED熱沉溫度（取其最高點）Ts；
d. 切斷輸入電功率的電源，立即（〈10ms）進行（1）之b步驟，測量Vf3。
（3）數據處理：
△Vf＝ Vf3－Vf1，
取Pd＝0.65*If*Vf計算：
Rthja＝△Vf/（K*Pd）
Rthsa＝（Ts－Ta）/Pd
＝（Ts－Ta）/（0.65*IF*Vf）
Rthjs＝Rthja－Rthsa
四、討論
1. Tj （P-N結點溫度）
一般而言，溫度會影響P-N結禁帶寬度，結點溫度升高造成禁帶寬度變窄，使得發光波長偏移，并引發更多的非可見光輻射導致發光效率降低。另外，晶片溫度過高會對晶片粘結膠及四周的保護膠造成不良影響，加快其老化速度，甚至可能引起失效。Lumileds公司提出的失效計算公式如下：
其中， 是結點溫度為T2時的失效概率， 是結點溫度為T1時的失效概率，EA＝ 0.43eV，K＝8.617*10-5 eV/K。根據此公式，失效概率隨著Tj的升高會愈來愈槽糕。
大功率LED產品的最高結點溫度（Tjmax）的高低主要取決于晶片的性能，若是封裝材料受溫度限制則Tjmax需適當降低，通常Tjmax不能大于125℃。但是，隨著晶片技術的進步和封裝技術的提高，目前可見到的K2系列產品之Tjmax已經能達到150℃。
1. 計算、測量熱阻的意義
1） 為LED封裝散熱設計提供理論和實踐依據
a. 選擇合適的晶片：對晶片不能只要求出光效率高，必需針對制程中解決散熱的能力采用足夠高Tjmax的晶片。在實踐中我們發現，某些種類的晶片只經過24H老化就有較大衰減，這與其耐高溫性能比較差相關。
b. 評估/選擇支架、散熱鋁基板：依Rthsa或Rthba作為目標值，查對物料供應商提供的物料資料并計算其熱阻，剔除不合要求的物料。通過試樣，測試、對比不同物料的熱阻，可做到擇優而用。
C. 評估粘結膠及其效果：一般使用到的晶片粘結膠是銀膠或錫膏，熱沉與散熱鋁基電路板間的結合膠是導熱硅膠或其它散熱膠，膠體的導熱系數、膠的厚度、結合面的質量制約熱阻的大小。粘結膠是否合適，必需通過實驗，測得熱阻作為評估結論的判斷依據之一。
2） 推測Tj
通過熱阻等參數可以推測Tj，進而可以與設定的Tjmax比較，檢驗Tj是否符合要求。晶片溫度與產品失效概率密切相關，在知悉某Tj時的失效概率的情況下，可以求得產品在推測出來的Tj時的失效概率。
3） 評估LED工作時可能遭遇的最高環境溫度
設定Tjmax后，相應地可以導出環境溫度的最高值。為了保證產品的信賴性，大功率LED產品應給出散熱鋁基電路板的表面最高溫度或環境（空氣）溫度以指導下游應用產品的開發。
2. 在大功率LED的應用中改善熱量處理
前面提到大功率LED的P-N結溫（Tj）過高會引起發光衰減、使用壽命縮短、波長漂移等問題，為保證Tj低于Tjmax，要求合理設計二次散熱結構,并計算最大輸入功率、大功率LED應用產品的環境溫度。
設計大功率LED應用產品時，應盡量選擇導熱性較好的材料并設計散熱通道，減少熱阻薄弱環節。使用過程中，對于Ta較高的環境，在無法減小熱阻的情況下，可適當降低輸入電功率，即減少Pd值，犧牲亮度以保證信賴性。
五、總結
通過對大功率LED熱的產生、熱阻、結溫概念的理解和理論公式的推導及熱阻測量，我們可以指導大功率LED的實際封裝設計、評估和產品應用。需要說明的是，文中說明的電壓法測量熱阻方法簡單但操作上有一定難度，需反復實驗、修正。熱量管理是在LED產品的發光效率不高的現階段的關鍵問題，從根本上提高發光效率以減少熱能的產生才是釜底抽薪之舉，這需要晶片制造、LED封裝及應用產品開發各環節技術的進步。
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