防止过高的 LED 结温

防止过高的 LED 结温

普通的高亮度 (HB) LED 仅将约 45% 的应用能量转换给可见光子,其余的则产生热量。 如果产生的这些热量不能从 LED 充分散去,将会导致过热,并可能造成灾难性故障。 即使不出现灾难性故障,LED 结温升高也会造成光输出下降、颜色发生变化和/或预期寿命显著缩短。

本文介绍了如何计算结温,并说明热阻的重要性。 文中探讨了较低热阻 LED 封装替代方法,如芯片级和板载 (COB) 设计,并介绍了影响散热器性能的因素。

热量如何产生并影响 LED

当在 LED 的 P-N 结适当施加足够的电压时,电流会流经该结,同时产生光和热。 但是,普通的高亮度 (HB) LED 仅将约 45% 的应用能量转换为光,其余的则产生热量。

由于 P-N 结较小,单位面积的生热率就大:一个 1 W、1 mm2 的 LED 可产生高达 100 W/cm2 的热量。 随着结温升高,LED 的正向电压和流明输出下降。 为了延长使用寿命并保持性能,LED 工作期间的结温必须保持在制造商的规格范围内。

如图 1 所示,在恒定工作电流下,结温每升高 10°C,正向电压下降约 20 mV。 具体而言,在恒定电流 350 mA 下,LED 结温从 25˚C 升至 80˚C 时,正向电压下降 0.17 V。

图 1: 高 LED 结温使正向电压下降。 (来源: Osram)

图 1: 高 LED 结温使正向电压下降。 (来源: Osram)

同样,如图 2 所示,结温从 25˚C 升至 80˚C 时,光输出下降 10%。 如果 LED 在 25˚C 时产生 90 流明,那么在结温 80˚C 时,它只会产生 81 流明。 简言之,在恒定工作电流下,结温每升高 10°C,发光效率下降约 1.8%。

图 2: LED 结温升高使光输出下降。 (来源: Osram)

图 2: LED 结温升高使光输出下降。 (来源: Osram)

LED 主波长是 LED 主要发出的光子波长,这决定了 LED 的颜色。 对于单色 LED,如图 3 所示的红色 626nm LED,主波长随着结温升高而增加,同时颜色发生改变。

图 3: 结温升高改变主波长,进而改变 LED 的颜色。 (来源: Osram)

图 3: 结温升高改变主波长,进而改变 LED 的颜色。 (来源: Osram)

计算结温

固态照明设备的效率在很大程度上取决于结温,而结温又主要取决于三个因素:输入功率;LED 结和环境温度之间的热阻以及环境温度。 输入功率决定产生多少热量,而热阻和环境条件决定如何有效地散热。

两个重要导热路径的热阻会影响结温。 一是封装底部的热触点和 LED 结之间的热阻。 二是热触点到环境之间的热阻。

LED 结的温度 (TJ) 是环境温度 (TA) 与结到环境的热阻(下式中的 Rth j-a)和耗散功率 Pd (If x Vf) 之积的总和。 热阻是指每单位耗散功率的元器件温度升高值,单位 °C/W。

等式为: 4

在设计照明系统时,务必要了解 LED 器件从结到环境的导热路径,以确保最大热性能。 为了简单起见,这里我们只讨论 LED 结和环境之间的热阻总和,但在实际的 LED 照明系统中,将会有大量热阻确定整个系统的导热路径。

低热阻允许在高电流下驱动 LED,以便增加亮度,同时不存在因过热造成早期故障的过大风险。 制造商的规格书中应当提供 LED 的最高结温和热阻。

封装可以提供帮助

LED 结到封装底部热触点的热阻取决于封装的设计。 认识到这点后,工程师们便致力于开发更具热效率的设计,如芯片级封装 (CSP) 器件和板载 (COB) LED。

CSP 技术不再有传统的次黏着基台,而是直接将 LED 芯片贴装到印刷电路板(图 4)。 直到最近,CSP 才广泛用于 LED,以前是因为难以从如此小的器件中提取热量。 但是,能效增加和耐温性升高已经解决了该问题。

图 4: CSP 技术诸多优势包括低热阻。 (来源: Samsung Semiconductor)

图 4: CSP 技术诸多优势包括低热阻。 (来源: Samsung Semiconductor)

CSP 没有标准的定义,但业界通常认为“芯片级封装 LED”可以是尺寸与 LED 发光区域同等或者比 LED 发光区域大最多 20% 的任何器件。 CSP 具有比传统 LED 更低的热阻,这主要是由于 CSP LED 和印刷电路板散热器表面之间的金属对金属结合面。

例如,Samsung Semiconductor SCP8RT78HPL1R0S06E 的封装热阻只有 2°C/W。 Samsung 的 CSP 技术结合倒装片技术和磷光体涂层技术,从而无需金属线和塑料模具,因此可缩小传统 LED 封装的尺寸。

在 COB 方法中,制造商将大量芯片直接封装到基底上。 Bridgelux Vero 和 V 系列 LED 阵列的低热阻(范围从 1.6°C/W 到低至 0.25°C/W)是通过导热路径和电气路径分离的 LED 芯片结构来实现的。

要实现良好传热,有必要将 LED 连接到清洁、平整、光滑的散热器。 此外,LED 和散热器之间还需使用导热界面材料 (TIM),以实现良好传热。 LED 供应商 Cree 宣称其 CX 系列 LED(如 CXA1304-0000-000C00A427F)的陶瓷基底背面比其他 COB LED 上常用的铝基底背面光滑十倍。

为了测定散热器平整度,Cree 建议使用刀片作为直尺,查看刀片边缘和散热器之间是否有任何间隙(图 5)。

图 5: 检查散热器平整度。 (来源: Cree)

图 5: 检查散热器平整度。 (来源: Cree)

导热界面材料和散热器

典型 LED 照明系统具有多个 HB LED 封装,这些封装连接到基底并安装到散热器上。 由于 LED 不像传统白炽灯泡那样散发热量,因此它们产生的热量必须通过基底传导出去。 传统导热基底包括两种类型的陶瓷: Al2O3(氧化铝或矾土)和 AlN(氮化铝)。 装配期间,基底底部表面应当与散热器的安装表面完全接触。 在 LED 和散热器之间使用导热界面材料 (TIM),以填充小空隙和气隙,从而帮助导热。 若 LED 和散热器之间存在空隙,导热路径效率将下降。 TIM 可以有多种形式,如粘合剂、润滑脂、凝胶、导热垫、焊锡合金和环氧树脂。

散热器是这个散热结构的最后一部分。 散热器将 LED 产生的热量带走,这样有助于结温保持在可接受限制内。 设计人员应当考虑散热器的表面、表面积、空气动力学、传热和安装。

散热器有三种工作方式:传导(从一种固态介质到另一种固态介质传热)、对流(从固态介质到移动流体传热,通常是空气),或者辐射(从两个表面温度不同的物体传热)。 散热器通常由金属制成,如铝或铜,并带有大量翅片来增加表面积(表 1)。

表 1: 常用散热器材料和空气的导热率(来源: Bridgelux)

表 1: 常用散热器材料和空气的导热率(来源: Bridgelux)

为了帮助冷却,可以通过散热器采用无源或有源冷却方法。 根据一般的经验,每瓦待耗散功率应当通过 10 平方英寸的散热器表面积耗散。

结论

大多数 LED 故障机理都与温度有关。 即使 LED 结温升高没有造成故障,它也会造成光输出下降、颜色发生变化和/或预期寿命显著降低。 本文谈到如何计算结温,并提及热阻的重要性。 文中还讨论了较低热阻 LED 封装替代方法,如芯片级和板载 (COB) 设计,并探讨了影响散热器性能的因素。