半导体照明课件 18 LED散热技术

RT
T PD
式中RT为两点间的热阻， T 为两点间的温度
差，PD为两点间的热功率流。
热阻反映阻止热量传递能力的综合参量。单位：℃/W 总热阻为各层热阻之和
一、热量来源 设发光二极管的热阻为Rth (0C/W)，热耗散功率为PD
(W)，此时由于电流的热损耗而引起的PN结温度上升为:
PN结结温为:
其中TA为环境温度。
随着结温的上升，发光的峰值波长也将向长波方向漂 移，约0.2-0.3nm/0C，这对于通过由蓝光芯片涂覆YAG荧 光粉混合得到的白光LED来说，蓝光波长的漂移，会引起 与荧光粉激发波长的失配，从而降低白光LED的整体发光 效率，并导致白光色温的改变。
二、热量对LED的影响 2. 发光主波长偏移
3. 严重降低LED的寿命，加速LED的光衰。
五、制冷器件 2. 水冷
有些冷却装置中使用热管来散热，由热管来带走CPU 或电子芯片表面的热量，热管里的冷却剂被加热后变为气 体，在热管中上升，到达上部时，被流动的空气冷却，空 气带走热量，冷却剂降温又变为液体，往下流动。如此周 而复始。
五、制冷器件 3. 热电制冷
热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利 用热电效应（即帕尔帖效应）的一种制冷方法。
但是高热导率材料如铜等材料，同时也会引入比较大 的残余应力，并且粘片时，需要比较厚的粘结层。这样势 必会增加多余的接触热阻。
四、散热机制
1. 热传导
封装之热阻公式大多用
来描述：
其中Tj为芯片的结区温度，Ta为环境温度，Q为芯片发 热功率。
同一加热功率与环境温度下，热阻越大，即代表有更 多的热量不能从封装中散出，而积聚在芯片的内部，使芯 片的结区温度T，升高越快，可靠性也越差。
接材料的选取。
三、LED的散热考虑 1. 芯片到基板的连接材料的选取
普通用来连接芯片和基板采用的是银胶。但是银胶的 热阻很高，而且银胶固化后的内部结构是：环氧树脂骨架 和银粉填充式导热导电结构，这样的结构热阻极高，对器 件的散热与物理特性稳定极为不利，因此, 选择的粘接物 质是锡膏。
三、LED的散热考虑 2. 接着就是基板的选择
四、散热机制 1. 热传导
其中k为热导率，A为面积，Δx为导热材料的厚度，q 为热流密度，表示单位面积的耗散的功率。
对于多层复合材料，总热阻可以简化为:
（1）
四、散热机制 1. 热传导
以下图两层材料的热传导为例:
四、散热机制 1. 热传导
从式（1）和式（2）大致可以得到解决散热的基本方 法: 减少材料的厚度并选用高热导率的材料。
四、散热机制 2. 对流情况
通过
的计算，我们可以初步估计封装器件最大的温度差别 ΔT，即（T1-T2），或者在某种冷却条件下，封装所能容 纳的最大热对流密度。
五、制冷器件 传统制冷方法有：空气制冷、水冷、热管制冷、帕尔
贴效应元件制冷(半导体制冷)等。 现在有些新方法也被陆续提出来，比如超声制冷、
二、热量对LED的影响 LED发光过程中产生的热量将会造成LED模组的温度
上升，当温度升高: 1. 发光强度降低：
随着芯片结温的增加，芯片的发光效率也会随之减少 ，LED亮度下降。同时，由于热损耗引起的温升增高，发 光二极管亮度将不再继续随着电流成比例提高，即显示出 热饱和现象。
二、热量对LED的影响 2. 发光主波长偏移
四、散热机制 2. 对流情况
热交换发生在固体和流体之间的界面，由流体的流动 而带走表面的热量，由Newton冷却定律得到对流的热交 换公式：
（3） A为材料的横截面积。
四、散热机制 2. 对流情况
由（3）式得到对流热交换的热阻公式： （4）
（4）中h为热传导系数，A*为参与热对流热对流面积。 由于对流交换的热量跟对流的表面积成正比，因此需
一、热量来源 对于由PN结组成的发光二极管，当正向电流从PN结流
过时，PN结有发热损耗，这些热量经由粘结胶、灌封材料 、热沉等，辐射到空气中。
在这个过程中每一部分材料都有阻止热流的热阻抗， 也就是热阻，热阻是由器件的尺寸、结构及材料所决定的 固定值。
热阻(thermal resistance)
结构对热功率传输所产生的阻力称为热阻。 表示单位耗散功率所引起的结温升高(˚C／W，或 K/W。)
半导体制冷器的优势在于制冷密度大、与IC工艺兼容 、无运动部件，没有磨损、并且结构紧凑，可以提高集成 度。
五、制冷器件 3. 热电制冷
把一只p型半导体元件和一只n半导体元件连接成热 电偶，接上直流电源后，在结合处就会产生温差和热量的 转移。在上面的一个结合处，电流方向是n->p，温度下降 并且吸热，这就是冷端。而在下面的一个结合处，电流方 向是p->n,温度上升并且放热，因此是热端。
要优化微流通道的结构，从而提高散热面积A*；另外一方 面提高传热系数h。
四、散热机制 2. 对流情况
将式（1）和式（4）两个式子合并在一起，可以得到 热传导和热对流共同起作用的传热机制，总热阻公式：
（5） （5）中f为A*/A，A*为参与热对流的面积，A为材料的 横截面积，作为表面增强因子，与微流通道的内部结构有 关。
五、制冷器件 3. 热电制冷
为了更进一步提高热电制冷效率，提出采用多级热电 制冷，并且集成热沉增加与外界环境的热交换。
五、散热结构设计
五、制冷器件 3. 热电制冷
金属热电偶的帕尔帖效应，可以用接触电位差现象定 性地说明。
由于接触电位差的存在，使通过结合处的电子经历 电位突变，当接触电位差与外电场同向时，电场力做功使 电子能量增加。同时，电子与晶体点阵碰撞将此能量变为 晶体内能的增量。
五、制冷器件 3. 热电制冷
结果使结合的位置的温度升高，并释放出热量。 当接触电位差与外电场反向时，电子反抗电场力做功 ，其能量来自结合处的晶体点阵。结果使得结合处的温度 下降，并从周围环境吸收热量。
五、制冷器件
2. 水冷 一块中空的金属盘与芯片相接，液体在其内部的凹槽
流过，芯片将热量传导到底盘，底盘再将热量传给液体， 然后这些液体流过热沉，在那里它将热量释放到空气中。 冷却后，这些液体就再次进入那个底盘中。
另外采用微流通道的微结构可以增大液体与热沉的接 触面积，从而大幅度增加温降，延长器件的使用寿命。
最常用的是将功率器件安装在散热器上，利用散热器 将热量散到周围空间，它的主要热流方向是由芯片传到器 件的底下，经散热器将热量散到周围空间。
三、LED的散热考虑 3. 基板外部冷却装置的选取
散热器由铝合金板料经冲压工艺和表面处理制成，表 面处理有电泳涂漆或黑色氧化处理，目的是提高散热效率 和绝缘性能。
三、LED的散热考虑 对于功率LED来说，驱动电流一般都为几百毫安以上
，PN结的电流密度非常大，所以PN结的温升非常明显。 对于封装和应用来说，如何降低产品的热阻，使PN结
产生的热量能尽快的散发出去，不仅可提高产品的饱和电 流，提高产品的发ຫໍສະໝຸດ Baidu效率，同时也提高了产品的可靠性和 寿命。
三、LED的散热考虑 为了降低产品的热阻： 首先,封装材料的选择显得尤为重要，包括支架、基板和填
三、LED的散热考虑 4. 基板与外部冷却设备连接材料的选取
根据分析，减低界面热阻的方法为:
• 增加材料表面的平整度， • 减小空气的容量； • 施加接触压力。
因此在基板和外散热器的填充物质上，选择导热的硅树脂。
四、散热机制
散热的基本途径主要有以下三种：热传导、对流、辐 射。
与其他固体半导体器件相比，LED器件对温度的敏感 性更强。由于受到芯片工作温度的限制，芯片只能在120 度以下工作，因此器件的热辐射效应基本可以忽略不计。 传导和对流对LED散热比较重要。
上表是常见的基板和支架的材料导热系数，由表知， 银、纯铜、黄金的导热系数相对其他较高
但银、纯铜、黄金价格高，为了取得很好的性价比 纯铝的导热系数，因此基板采用的是铜或铝质地。
三、LED的散热考虑 3. 基板外部冷却装置的选取
大功率LED器件在工作时大部分的损耗变成热量，若 不采取散热措施，则芯片的温度可达到或超过允许的节温 ，器件将受到损坏，因此必须加散热装置。
散热器形状可设计成多种阵列形状，如圆柱阵列、条 形阵列，或者金字塔的形状等。
五、制冷器件 1. 空气制冷 （1）.热沉
五、制冷器件 1. 空气制冷 （2）.风扇
通常同时使用散热器和风扇结合的方式，散热器通过 和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器。
散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的 充分扩展的表面使热对流大大增加，同时流通的空气也能 带走更大的热能。
四、散热机制 从热能分析，假设Q=发散功率 (Pd) = Vf X If， 而且
Vf和If相对变化比较小。 所以我们在做散热设计时主要先从热传导方面考虑，
热量预先从LED模块中传导到散热器。
四、散热机制 1. 热传导
首先考虑热源是均匀地加载在导热材料的整个表面的 情况，由Fourier导热定律得知，热流密度与温度梯度成正 比:
五、制冷器件 1. 空气制冷 (2).风扇
风扇的设计要达到两个要求：让冷却功能更有效，噪 音更小。
五、制冷器件 2. 水冷
水冷系统由泵、热沉、导水管等部件组成，泵负责驱 动水循环，芯片上的热量传给水，采用液体流动来带走热 量，导水管把热水传送到热沉。热沉和芯片不在一块，可 以有效提高散热能力，热沉起散热作用。
LED 散热设计
对于一般照明使用，将需要大量的LED元件集成在一块 模组中以达到所需之照度。但LED的光电转换效率不高，大 约只有15%至20%左右电能转为光输出，其余均转换成为热 能。
热量是LED的最大威胁之一，不仅影响LED的电气性能 ，最终导致LED失效。如何让LED保持长时间的持续可靠工 作是目前大功率LED器件封装和系统封装的关键技术。
超导制冷、以及将多种制冷方法有效集成在一个器件之中 。
下面我们简单介绍几种制冷方法。
五、制冷器件 1. 空气制冷 （1）.热沉
热沉的热传导率的系数可以通过几种方法来改变，最 流行的方法是加快通过热沉的气流速度。
但将气流速度增加到10m/s时会引入噪音。
五、制冷器件 1. 空气制冷 （1）.热沉
另一种方法是改变热沉的形状，通过这种方法，来扩 大有效的散热面积。
充材料等，各材料的热阻要低，即要求导热性能良好。 其次,结构设计要合理，各材料间的导热性能连续匹配，材
料之间的导热连接良好，避免在导热通道中产生散热瓶颈， 确保热量从内到外层层散发。
三、LED的散热考虑 LED散热主要从3个方面着手：
• 第一，从芯片到基板的连接材料的选取； • 第二，基板材料的选取； • 第三，基板外部冷却装置的选取和基板与外部冷却设备连
散热器散发的热能与环境温度的温差大致成正比，对 流的速度越快，则散热器本身的热阻也就越小。
三、LED的散热考虑 4. 基板与外部冷却设备连接材料的选取
就界面热阻而言，空气间隙是最大的敌人。 尽管基板与散热器之间肉眼能观察到的间隙很小，但 是由于材料表面的不平整，实际还是存在着细微的空隙。 由于空气的界面热阻很大，不利于扩散，故大大增加 了整体界面的热阻。