LED的結(jié)溫計(jì)算

1、LED的結(jié)溫計(jì)算LED的PN結(jié)結(jié)溫主要影響LED光通量和壽命，本文用電壓法對(duì)直插LED，食人魚LED和大功率LED的結(jié)溫和熱阻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在測(cè)量LED結(jié)溫的同時(shí)，研究它的光譜變化，色光LED峰值波長(zhǎng)的偏移與其結(jié)溫存在線性關(guān)系，白光LED的總能量和藍(lán)光能量比率（W/B）的變化與結(jié)溫也存在線性的關(guān)系。LED存在發(fā)熱現(xiàn)象，隨著LED的工作時(shí)間和工作電流的增加，其發(fā)光強(qiáng)度和光通量會(huì)下降，壽命降低，對(duì)白光還會(huì)導(dǎo)致激發(fā)效率的下降，這主要是由于LED結(jié)溫升高導(dǎo)致的。對(duì)于白光LED，隨著結(jié)溫的增加，LED發(fā)出黃光和藍(lán)光的強(qiáng)度以不同的速率下降，白光LED的總能量和藍(lán)光能量比率（W/B）與結(jié)溫存在關(guān)系。首先對(duì)

2、LED的結(jié)溫進(jìn)行研究，由此可得到LED的熱阻。然后在測(cè)量結(jié)溫的同時(shí)，測(cè)量LED光譜變化，可以得出LED的PN結(jié)結(jié)溫與色光LED峰值波長(zhǎng)或白光LED的白色/藍(lán)色能量比（W/B）之間存在一定的關(guān)系。因此可以采用非接觸式方法來(lái)進(jìn)行結(jié)溫的測(cè)量。測(cè)量原理LED的結(jié)溫是影響發(fā)光二極管各項(xiàng)性能指標(biāo)的一個(gè)重要因素，測(cè)量LED結(jié)溫的方法可用通過(guò)測(cè)量在不同環(huán)境溫度下LED的正向電壓的大小來(lái)得到。實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，被測(cè)LED置于積分球內(nèi)，積分球放在恒溫箱的中間，積分球內(nèi)的光經(jīng)石英光纖導(dǎo)入SSP3112快速光譜分析儀，可以快速測(cè)取LED的峰值波長(zhǎng)或W/B比率。將熱電偶與LED管腳緊密接觸，用測(cè)溫儀讀取不同加熱電流和

3、不同環(huán)境溫度下的管腳溫度。恒溫箱的溫度范圍為0C-150C,精度1C。PC機(jī)通過(guò)高速開關(guān)控制對(duì)LED的加熱電流（IF）和參考電流（IFR），并測(cè)量IF和IFR下的VF和VFR。熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱路徑是：管芯一散熱墊f印制板敷銅層f印制板f環(huán)境空氣。若LED的結(jié)溫為T,環(huán)境空氣的溫J度為T,散熱墊底部的溫度為T（TTT。AcJcA在熱的傳導(dǎo)過(guò)程中，各種材料的導(dǎo)熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻為R（LED的熱阻）、散熱墊傳導(dǎo)到PCB面層敷銅層的熱阻為JCR、P傳導(dǎo)到環(huán)境空氣的熱阻為R,則從管芯的結(jié)溫T傳導(dǎo)到空氣T的總熱阻CBCBBAJAR與

4、各熱阻關(guān)系為：R=R+R+R各熱阻的單位是C/WoJAJAJCCBBA可以這樣理解：熱阻越小，其導(dǎo)熱性能越好，即散熱性能越好。如果LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起，則R=0,則上式可寫CB成：R=R+RJAJCBA散熱的計(jì)算公式若結(jié)溫為T、環(huán)境溫度為T、LED的功耗為P,則R與T、T及P的關(guān)系為：R=JADJAJADJATOC o 1-5 h z（TT）/P（1）JAD式中P的單位是W。P與LED的正向壓降V及LED的正向電流I的關(guān)系為：PDDFFD=VXI（2）FF如果已測(cè)出LED散熱墊的溫度T，貝H1）式可寫成：CR=（TT）/P+（TT）/PJAJCDCADTOC o 1

5、-5 h z則R=（TT）/P（3）JCJCDR=（TT）/P（4）BACAD在散熱計(jì)算中，當(dāng)選擇了大功率LED后，從數(shù)據(jù)資料中可找到其R值；當(dāng)確定JCLED的正向電流I后，根據(jù)LED的V可計(jì)算出P；若已測(cè)出T的溫度，則按（3）FFDC式可求出T來(lái)。J在測(cè)T前，先要做一個(gè)實(shí)驗(yàn)板（選擇某種PCB、確定一定的面積）、焊上LED、C輸入I電流，等穩(wěn)定后，用K型熱電偶F點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)LED的散熱墊溫度T。C在（4）式中，T及T可以測(cè)出，P可以求出，則R值可以計(jì)算出CADBA來(lái)。若計(jì)算出T來(lái)，代入（1）式可求出R。JJA這種通過(guò)試驗(yàn)、計(jì)算出T方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計(jì)算出J來(lái)的T小于要求（

6、或等于）Tmax，則可認(rèn)為選擇的PCB及面積合適；若計(jì)算來(lái)JJ的T大于要求的Tmax，則要更換散熱性能更好的PCB，或者增加PCB的散熱面JJ積。另外，若選擇的LED的R值太大，在設(shè)計(jì)上也可以更換性能上更好并且R值更JCJC小的大功率LED，使?jié)M足計(jì)算出來(lái)的TWTmax。這一點(diǎn)在計(jì)算舉例中說(shuō)明。JJ計(jì)算舉例這里采用了NICHIA公司的測(cè)量T的實(shí)例中取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計(jì)算舉例。已知條件C如下：LED：3W白光LED、型號(hào)MCCW022、R=16C/W。K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)量頭焊在JC散熱墊上。PCB試驗(yàn)板：雙層敷銅板（40X40mm）t=1.6mm、焊接面銅層面積1180mm2背面銅層面積1600m

7、m2。LED工作狀態(tài)：I=500mA、V=3.97V。TOC o 1-5 h zFF按圖9用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)T，T=71C。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度T=25C.CCAT計(jì)算JT=RXP+T=R（IXV）+T=16C/W（500mAX3.97V）+71C=103CJJCDCJCFFCR計(jì)算CAR=(T-T)/P=(71C25C)/1.99W=23.1C/WCACADR計(jì)算JAR=R+R=16C/W+23.1C/W=39.1C/WJAJCBA如果設(shè)計(jì)的Tmax=90C，則按上述條件計(jì)算出來(lái)的T不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要JJ改換散熱更好的PCB或增大散熱面積，并再一次試驗(yàn)及計(jì)算，直到滿足TWTmaxJJ為止。

8、另外一種方法是，在采用的LED的R值太大時(shí)，若更換新型同類產(chǎn)品R=9CJCJC/W(I=500mA時(shí)V=3.65V)，其他條件不變,T計(jì)算為：FFJT=9C/W(500mAX3.65V)+71C=87.4CJ上式計(jì)算中71C有一些誤差，應(yīng)焊上新的9C/W的LED重新測(cè)T(測(cè)出的值比C71C略小)。這對(duì)計(jì)算影響不大。采用了9C/W的LED后不用改變PCB材質(zhì)及面積，其T符合設(shè)計(jì)的要求。JLED溫度問(wèn)題LED光源不能超過(guò)80C，隨著LED溫度的升高，其光輸出和壽命則相應(yīng)降低。表2大功率白光LED的結(jié)溫T，在亮度衰減70%時(shí)與壽命的關(guān)系T,(C)Life(小時(shí))T,(C)Life(小時(shí))25234,

9、0008529,50030191,0009025,70035157,0009522,30040129,00010019,50045107,00010517,1005090,00011015,1005575,00011513,3006064,00012011,7006554,00012510,5007046,0001309,3007539,0001407,5008034,0001506,000集成式LED光源散熱設(shè)計(jì)：(1)光源的散熱結(jié)構(gòu)：大功率的LED模塊，采用特殊的絕緣陶瓷基板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PCB板，將LED產(chǎn)生的熱量能夠迅速通過(guò)陶瓷基板傳導(dǎo)至散熱板，并通過(guò)散熱板和燈具散熱(見下圖)。根據(jù)傅立葉

10、導(dǎo)熱公式立葉導(dǎo)熱公式:|FP45raaiiwt1OVA、加式中a-垂直于導(dǎo)熱方向的截面積in2；S-平壁厚度m;無(wú)一物體材料的導(dǎo)熱系數(shù)W/.(mkJ;丁一平壁兩辺的緬度差K單位導(dǎo)熱面積的熱流童稱為熱流密度,即以25顆LED芯片、約30W功率的集成式光源為例，LED芯片面積約1mm2,因陶瓷基板非常薄，則芯片與陶瓷基板的導(dǎo)熱密度為q=Q/A=30/5X5X110-6=1.2X106W/m?接觸處的導(dǎo)熱膏的導(dǎo)熱率為3.0W/(m.k),平均厚度為6=0.03mm,則陶瓷基板與芯片間的溫度差為T1=(q1X6)/入=(1.2X106X0.03X10-3)/3=12陶瓷基板尺寸為直徑30mm的圓，則導(dǎo)

11、熱鋁板與陶瓷基板的導(dǎo)熱密度為q2=30/(n15X15X10-6)=(2/15n)X106W/m?接觸處的導(dǎo)熱膏的導(dǎo)熱率為3.0W/(m.k),平均厚度為6=0.03mm,則陶瓷基板與導(dǎo)熱鋁板間的溫度差為T2二(q2X6)/入=(2/15n)X106X0.03X10-3/3=4.2C由此可見，導(dǎo)熱鋁板與LED結(jié)溫相差16.2C，考慮制造誤差，按導(dǎo)熱鋁板比LED結(jié)溫低18-20C計(jì)算，所以，要使光源壽命(光衰到70%)在30000小時(shí)，LED導(dǎo)熱板的溫度應(yīng)低于60C。燈具的散熱結(jié)構(gòu)：超大功率LED散熱板直接與燈具外殼接合，并在燈具的外殼上增加散熱筋，以增加散熱面積，使LED的工作溫度滿足其要求，

12、以保證壽命和光衰的要求。riiiirU1LJl丄即北囂0下表為GGE802-SL2X30WLED光源裝入燈具內(nèi)實(shí)測(cè)的溫度值時(shí)間輸入電壓環(huán)境溫度導(dǎo)熱鋁板底部溫度燈體內(nèi)空間溫度燈體外表面（散熱片底部）20分后220V/50Hz28C56C33C45C1時(shí)后220V/50Hz29C62C38C50C3時(shí)后220V/50Hz30C65C42C52C5時(shí)后220V/50Hz32C66C43C53C7時(shí)后220V/50Hz30C66C42C53C8時(shí)后220V/50Hz29C65C41C52C由此可見，LED路燈在環(huán)境溫度為30C左右時(shí)，導(dǎo)熱鋁板的溫度穩(wěn)定在65-66C,此時(shí)LED結(jié)溫應(yīng)在85C左右，根據(jù)

13、表2可查出，此路燈LED光源的理論的使用壽命（光衰到70%）為29500小時(shí)。集成式LED路燈配光問(wèn)題LED為180度定向發(fā)光，配光如下圖：傳統(tǒng)光源有60%以上的光線要通過(guò)二次或二次以上反射才能達(dá)到配光要求，而LED則只有30%的光線通過(guò)二次反射，LED燈具效率要高于傳統(tǒng)光源配光問(wèn)題通過(guò)將精確設(shè)計(jì)的塑料透鏡直接封裝在LED芯片上得以很好的解決，并且減少原來(lái)在LED上加透鏡的加工誤差（誤差值僅為0.1mm）。其配光曲線如下：其次，燈具的散熱問(wèn)題通過(guò)直接散熱結(jié)構(gòu)和對(duì)流散熱結(jié)構(gòu)解決。（1）直接散熱結(jié)構(gòu)：將LED的銅柱與燈體外殼之間通過(guò)導(dǎo)熱片直接貼在一起，實(shí)現(xiàn)了LED的銅柱與燈體外殼之間通過(guò)導(dǎo)熱片直接

14、散熱，因此從LED芯片到空氣的傳熱過(guò)程只通過(guò)三層階段，散熱效果好。經(jīng)測(cè)試用相同的LED、相同的材質(zhì)，這種直接散熱結(jié)構(gòu)下的LED芯片比傳統(tǒng)的散熱結(jié)構(gòu)的LED芯片低了3-5%（結(jié)構(gòu)如下圖）。1、燈體(散熱器)3、LED散熱銅柱(封裝件)4、LED芯片5、透鏡注：銅柱與芯片間涂有耐高溫、高導(dǎo)熱率的硅膠根據(jù)上面的傅立葉公式，因LED光源為分散式點(diǎn)陣排列，30顆LED的分布面積與1顆LED相應(yīng)成倍增加，以單顆LED芯片、約1W光源計(jì)算，則溫升與30顆相同，LED芯片面積約1mm2，導(dǎo)熱銅柱尺寸為屮4mm，則芯片與銅柱的導(dǎo)熱密度為q1=1/1X1X10-6=106W/m?接觸處的導(dǎo)熱膏的導(dǎo)熱率為3.0W/

15、(m.k),平均厚度為6=0.03mm,則導(dǎo)熱銅柱與芯片間的溫度差為T1=(q1X6)/入=(106X0.03X10-3)/3=10C考慮制造誤差，LED底部導(dǎo)熱銅柱應(yīng)比LED結(jié)溫低13-15C，所以，要使光源壽命(光衰到70%)在30000小時(shí)，根據(jù)表2可知，LED導(dǎo)熱銅柱的溫度應(yīng)低于65C。導(dǎo)熱銅柱尺寸為屮4mm，則燈體(散熱器)與導(dǎo)熱銅柱的導(dǎo)熱密度為：q2=1/n2X2X10-6=(0.25/n)X106W/m接觸處的導(dǎo)熱片的導(dǎo)熱率為3.0W/(m.k),平均厚度為6=0.3mm,則燈體(散熱器)與導(dǎo)熱銅柱間的溫度差為T2=(q2X6)/入=(0.25/n)X106X0.3X10-3)/

16、3=7.96C由此可見，燈體(散熱器)與LED結(jié)溫相差17.96C，考慮制造誤差，按燈體(散熱器)比LED結(jié)溫低20-22C計(jì)算。下表為L(zhǎng)ED光源裝入燈具內(nèi)實(shí)測(cè)的溫度值，測(cè)試環(huán)境為封閉的房間，無(wú)自然風(fēng)其導(dǎo)熱完全靠燈體的傳導(dǎo)和對(duì)流進(jìn)行。時(shí)間輸入電壓環(huán)境溫度光源銅柱底部溫度燈體內(nèi)空間溫度燈體內(nèi)底面導(dǎo)熱片上面燈體外表面(散熱片底部)20分后220V/50Hz28C49.2C33C37.5C35C1時(shí)后220V/50Hz29C55C38C48.2C45C4時(shí)后220V/50Hz32C60.8C42C52C49.8C8時(shí)后220V/50Hz29C58.7C43C49.6C46.5C22時(shí)后220V/50

17、Hz30C57C42C48.8C46.6C24時(shí)后220V/50Hz31C58.5C41C50.6C48.1C由此可見，燈體（散熱器）底部與銅柱的溫差為8-12C，穩(wěn)定在8C左右，與理論值7.96C相符。LED路燈在環(huán)境溫度為30C左右時(shí)，導(dǎo)熱銅柱的溫度穩(wěn)定在60C左右，此時(shí)LED結(jié)溫應(yīng)在75C左右，據(jù)表2可知，路燈LED光源的理論使用壽命（光衰到70%時(shí)）為39000小時(shí)，而實(shí)際裝在燈桿上使用時(shí)，環(huán)境溫度大部分時(shí)間會(huì)低于30C，自然風(fēng)也是必然存在，那么路燈LED光源的實(shí)際使用壽命（光衰到70%時(shí)）會(huì)超過(guò)39000小時(shí)。從7月20到10月22共計(jì)92天，1104小時(shí)，平均氣溫大約30C，照度衰

18、減0.3Lux，衰減比例0.3/9.5=3.15%,根據(jù)I二EH2/cos3y可知，單位立體角的光通量（即光強(qiáng)I）與照度E成正比，因此，可得出，光源在1104小時(shí)的光衰為3.15%。從LED的封裝材料的折射率出發(fā)，采用簡(jiǎn)化的LED結(jié)構(gòu)模型，并通過(guò)菲涅耳折射反射公式，計(jì)算各個(gè)界面的光出射效率，從而得到總的光輸出效率:以及封裝材料折射率對(duì)光出射效率的影響。1模型的建立1.1點(diǎn)光源假設(shè)LED是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，它們之間形成過(guò)渡層一p-n結(jié)，當(dāng)p-n結(jié)正向偏置時(shí)，電子和空穴將分別從n和p型半導(dǎo)體注入p-n結(jié)，并復(fù)合而發(fā)光千21，如圖1所示。假定p-n結(jié)是一正方形發(fā)光面，面積大約為0.

19、7mm2，而LED柱狀截面面積一般為20mm2，因而p-n結(jié)發(fā)光面積占其4%，非常小，故可以假定p-n結(jié)發(fā)光是一個(gè)點(diǎn)光源。1.2全反射圓錐光線從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，將發(fā)生全反射。假定采用折射率為3.9的砷化嫁材料，外面的封裝材料采用折射率為1.5的環(huán)氧樹脂，角i=22.60（己假定p-n結(jié)發(fā)光是一個(gè)點(diǎn)光源0），因此只有在i=22.60為半角的以內(nèi)的光子才能溢出晶片，如圖2,而反射回去的光子則假定因內(nèi)部吸收不再出射。另外p-n結(jié)點(diǎn)光源向下半平而發(fā)射的光子由于基底和內(nèi)部吸收也假定不出射。為保護(hù)半導(dǎo)體晶片，通常用透明介質(zhì)將它固定起來(lái)，稱為封裝。封裝一般采用環(huán)氧樹脂，封裝的形狀

20、直接決定著輸出光的分布，如圖3。假定p-n結(jié)發(fā)光是1個(gè)點(diǎn)光源o,般LED晶片厚度為0.5mm左右，由臨界角可算出圓錐的底半徑為r=0.2mm，而封裝半球的半徑大約為2.5mm,圓錐尺寸是它的0.8%，可忽略不計(jì)，故假定光是從p-n結(jié)發(fā)光點(diǎn)0對(duì)應(yīng)的o發(fā)出。如果采用圖3所示的頂部半球形封裝，晶片處于球心，可以粗略認(rèn)為晶片發(fā)出的光垂直于環(huán)氧樹脂一空氣界面，不存在全反射，其光子溢出的損失就是反射損失，計(jì)算很方便。2相對(duì)光強(qiáng)分布和光輸出效率的計(jì)算2.1LED晶片出射相對(duì)光強(qiáng)分布曲線根據(jù)兩種透明媒質(zhì)界面的本征振動(dòng)理論，一束光經(jīng)過(guò)兩種透明媒質(zhì)界面時(shí)，將分解為平行r入射面的p分量和垂至于入射面的s分量，井且在

21、反射、折射過(guò)程中，p,s兩個(gè)分量的振動(dòng)是相互獨(dú)立的。再由菲涅耳折射公式可知，在折射過(guò)程中p,s分量的光子透過(guò)率是不一樣的，因此計(jì)算時(shí)要分別處理。由以上發(fā)光模型，從圓錐中溢出的光子，其光分布是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，因而可以只要選取任一通過(guò)光軸的平面，計(jì)算出此平面。0-900的光分布就能推知整個(gè)空間的光強(qiáng)分布曲線。p-n結(jié)發(fā)射的光子入射到晶片-樹脂界面上，由于反射角的存在，入射角的范圍在0-i之間，而出射角i?為0-90。具體計(jì)算過(guò)程如下：將出射角i以厶i=1。為間隔劃分為90等分；22由折射公式反推對(duì)應(yīng)于每一出射角下的入射角i；根據(jù)菲涅耳光子透過(guò)率公式1n2cosz2cosi4nn2cos2ix(心cos

22、i+nxcosz2)2n2cosi2ncosi4nn2coscos+心cosz2)2可分別計(jì)算得到對(duì)應(yīng)于每一角度下p,s分量的光子透過(guò)率zpZs。；取p-n結(jié)的發(fā)光強(qiáng)度(光子密度)為單位數(shù)量1,則出射光強(qiáng)為(5)以零度出射角時(shí)的光強(qiáng)值為計(jì)算其它角度下的出射光強(qiáng)的相對(duì)值Wp,Ws,并計(jì)算它們的平均值W由相對(duì)光強(qiáng)Wp,Ws,及平均值W與角度i的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以得到直角坐標(biāo)系下的相對(duì)光強(qiáng)分布曲線，并將平均值曲線與余弦值cosi進(jìn)2行比較,如圖4所示。從圖4可以看出,相對(duì)光強(qiáng)平均值曲線基本符合余弦分布。0.90.80.70.60,50.40.30.20.10102030405060708090角度(

23、度)圖4直角坐標(biāo)系下的相對(duì)光強(qiáng)分布曲線如果?。篨=W*cosi2；Y=W*sini2；并以Y為縱坐標(biāo)值,X,為橫坐標(biāo)值，就可以得到極坐標(biāo)系下0-90。之間的配光曲線，如圖5，將它左右復(fù)制，就能得到-9Oo-9O。的配光曲線。2.2封裝材料折射率對(duì)光輸出效率的影響采用半球形封裝，從晶片發(fā)出的光近似垂直入射到環(huán)氧樹脂一空氣界面。根據(jù)菲涅耳折射公式，在正入射時(shí)，即i=i2=0。P,s分量的光子透過(guò)率相等其中n,n分別表示環(huán)氧樹脂和空氣的折射率。環(huán)氧樹脂的折射率取1.5，空氣的折射20率一般取1.0，這樣可以計(jì)算光子在環(huán)氧樹脂一空氣界面的透過(guò)率。由于p-n結(jié)發(fā)射p,s分量的光子強(qiáng)度假定為1,貝Op-n

24、結(jié)在任一半平面發(fā)射的光子總數(shù)為180；對(duì)于出射光，角度間隔i=l。，將0-900下光強(qiáng)值Tp，Ts分別求和，得到的結(jié)果就是p、s分量在任一半2平面中溢出的光子數(shù)，將這兩個(gè)結(jié)果都除以180,就能得到晶片一樹脂界面p,s分量的光子透過(guò)率，取二者的平均值，即為晶片-樹脂界面的光輸出效率。改變環(huán)氧樹脂的折射率，以0.1為間隔取空氣折射率和晶片折射率之間的值并分別求出晶片-環(huán)氧樹脂界面的光輸出效率和環(huán)氧樹脂一空氣界面的光輸出效率，將二者相乘，得到對(duì)應(yīng)于不同環(huán)氧樹脂折射率條件下LED的光輸出效率，結(jié)果如圖6。2.3非半球形封裝LED的光強(qiáng)分布所謂非半球形封裝。其實(shí)頂部仍是半球，而下面增加一段圓柱，如圖7，這種形狀與實(shí)際很接近。這時(shí)出射光將分為兩部分，一部分是從頂部半球形射出，一部分從圓柱射出。現(xiàn)假定圓柱高為1/2球半徑(h=r/2),則圓柱部分最大入射角為arctg(1/2)=26.50。圓柱部分入射角是容易得到的，至于半球形部分，則根據(jù)正弦定理，如圖7中三角形厶ABO,有：hrsinZBsinA封裝材料的折射率n談?wù)徧锬み@樣可算出圓柱部分的入射角。設(shè)封裝材料的折射率為1.5，經(jīng)計(jì)算，全反射角為42。，而這種形狀封裝的LED的入射角都沒(méi)有超過(guò)此值。根據(jù)折射定理計(jì)