led热学研究
基于LED投光灯的散热设计及热仿真研究
_________________________基于LED 投光灯的散热设计及热仿真研究梁霭明1，陈建胜2，李军2，吴海辉1(1.中山市中大半导体照明技术研究有限公司，中山，528400；2.中山大学，广州，510000）摘要：本文基于LED 投光灯的结构论述了散热设计技术及热仿真分析方法，通过仿真数据与测试校核，验证了本散热仿真方法的可行性与可靠性，为更好的研究和解决大功率LED 的散热问题做出一定的贡献。
关键字：散热；仿真；分析；测试Research on thermal design and thermal simulation Based onLED SpotlightsLiang Aiming 1 , Chen Jiansheng 2 , Li Jun 2, Wu haiHui 1（1.Zhongshan Zhongda Seniconductor Lighting Technology Research Co.,Ltd , ZhongShan ,528400;2. Zhongshan University, Guangzhou, 510000）AbstractBased on the structure of LED Spotlights,this paper discusses the thermal design technology and thermal simulation analysis.Simulation and test data are checked to verify the feasibility and reliability of the thermal simulation method,which makes some contribution to better study and solve power LED thermal problems.Key wards : Heat; simulation; analysis; Testing随着大功率LED 照明产品的发展，散热能力好坏成为其发展的一个关键技术要素。
LED的电学、热学及光学特性研究
LED的电学、热学及光学特性研究1. 简介众所周知，LED的有效光辐射（发光度和/或辐射通量）严重受其结温影响（如图一所示，数据来源于Lumileds Luxeon DS25 的性能数据表）。
（点击图片查看原图）图1：一组从绿光到蓝光以及白光的LED 有效光辐射随结温的变化关系单颗LED 封装通常被称为一级LED，而多颗LED 芯片装配在同一个金属基板上的LED 组件通常被称为二级LED。
当二级LED 对光的均匀性要求很高时，结温对LED 发光效率的影响这个问题将十分突出[1]。
文献[2]中提到，可以利用一级LED 的电、热、光协同模型来预测二级LED 的电学、热学及光学特性。
前提是需要对LED 的散热环境进行准确建模。
本文第2 节中我将讨论怎样通过实测利用结构函数来获取LED 封装的热模型，并将简单描述一下我们用来进行测试的一种新型测试系统。
第3 节中，首先我们回顾了电-热仿真工具的原理，然后将此原理扩展应用到板级的热仿真以帮助优化封装结构的简化热模型。
在文章的最后我们将介绍一个应用实例。
2. 建立LED 封装的简化热模型关于半导体封装元器件的简化热模型（CTMs）的建立，学术界已经进行了超过10 年的讨论。
现在，对于建立封装元器件特别是IC封装的独立于边界条件的稳态简化热模型（CTMs），大家普遍认同DELPHI 近似处理方法[3][4][5]。
为了研究元器件的瞬态散热性能，我们需要对CTM 进行扩展，扩展后的模型称之为瞬态简化热模型（DCTMs）。
欧盟通过PROFIT 项目[7]制定了建立元器件DCTM 的方法，并且同时扩展了热仿真工具[6]的功能以便能够对DCTM 模型进行仿真计算。
∙当CTM 应用在特定的边界条件下或者封装元器件自身仅有一条结-环境的热流路径，则可以用NID（热阻网络自定义）方法[8]来对元件进行建模。
2.1 直接利用测试结果建立LED 封装的模型仔细研究一个典型的LED 封装及其典型的应用环境（图2），我们会发现，LED 芯片产生的热量基本上是通过一条单一的热流路径：芯片-散热块-MC PCB基板，流出LED 封装的。
LED热特性分析
几种常见的主动散热方式：风冷散热、液冷散热、热管散热、 半导体制冷、化学制冷
——被动式散热：
通过散热片将热源如CPU产生的热量自然散发到空气中，其 散热的效果与散热片大小成正比，但因为ห้องสมุดไป่ตู้自然散发热量，效果当然 大打折扣，
热管技术
1963年，热管诞生于美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover 之手，它巧妙地利用了气液变化过程中的吸放热原理，具备了超过任 何已知金属的导热能力。
芯片物理性质
芯片尺寸
目前市场上技术比较成熟的功率型LED芯片尺寸都在 1mm2左右,因此其功率密度很大
芯片主要材料
蓝绿光PN结: GaN，掺杂有In，Al等 衬底：蓝宝石/碳化硅/铜合金等
发光的光谱分布
此外与传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱中 不包括红外部分，所以器件产生的热量不能依靠辐射释放 出去。所产生的热量大部分都转化为使芯片本身温度升高 的升高的能量。
E是物体表面的热辐射系数。 S是物体的表面积， F则是辐射热交换的角度和表面的函数关系，但这里这个函数比较 难以解释。
Δ(Ta－Tb)则是表面a的温度同表面b之间的温度差。因此热辐射系 数、物体表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。
散热的基本方式
依照从散热器带走热量的方式： ——主动式散热：
通过风扇等散热设备强迫性地将散热 片发出的热量带走，其
LED热学特性分析
报告提纲
• LED的温升效应 • 结温对LED的影响 • 散热相关研究
引起PN结温升的主要原因
➢LED发光原理 ➢LED芯片物理性质 ➢LED发光的光谱构成
发光原理
发光原理
对于目前功率型LED： 辐射复合：15％～20％
东南大学物理学院-LED热学特性研究实验讲义
大功率LED热学特性研究（课题实验）发光二极管（Light Emitting Diode, LED）在过去十几年里有了飞速的发展，逐渐突破了仅能作为低功率指示灯光源的限制，被广泛应用于日常照明和显示等领域[1-2]。
LED是通过外电流注入的电子和空穴在耗尽层中复合，以辐射复合产生光子而发光，同时也会有部分复合能量传递给晶格原子或离子，发生非辐射跃迁，这部分能量转换成热能损耗在PN结内。
对于小功率LED来说这部分热量很小可以不作考虑。
然而，对于大功率照明用LED而言，其发热量大幅提高，直接影响到了LED的发光效率和器件的使用寿命，以及引起波长的漂移，造成颜色不纯等一系列问题。
因此，研究功率型LED的热学与发光特性不仅涉及半导体物理的基础问题，也是目前光电工程领域的开发热点[3-4]。
一、实验原理简介1. 脉冲法测量结温准确测量LED的结温是研究LED热学特性的基础。
LED灯的基本结构如图1所示，其芯片的核心结构是一个半导体的PN结，所谓LED的结温指的就是PN结的温度。
由于PN 结的尺寸很小，又被荧光材料和树脂胶包裹，无法直接测量其温度，因此常用间接法来测量结温。
本实验仪器采用一种较为新颖的脉冲法测量结温，该方法于2008年由美国NIST实验室提出[7]。
其核心思想是通过脉冲电流来限制结温TJ的上升，使之与器件表面可测量温度TB接近一致。
当给待测LED灯通入一个幅值为额定值的脉冲电流时，芯片在脉冲内正常发光并升温，但由于电流占空比很小，芯片温度会在一个较长的电流截止状态下降低到和表面温度一致。
从整体效果来看，只要脉冲占空比足够小，LED的芯片温度能维持和表面温度一致，如图2所示。
这样，只要借助温控仪就能在脉冲电流下定标出芯片两端的电压‒温度曲线。
由于在电流一定时，特定PN结的压降仅和结温有关，所以在有了LED的电压‒温度曲线后，只需测量正常工作时LED两端的电压就可以得到其实际的结温。
图1 功率型LED 基本结构示意图图2 （a ）LED 在不同占空比的脉冲电流下结温随时间的变化示意图；（b ）待测LED 灯珠在脉冲电流和稳流状态下点亮时，器件表面温度随时间的变化曲线。
发光二极管特性
发光二极管主要参数与特性发布日期：2007-2-5 17:12:17 信息来源：LED发光二极管主要参数与特性LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。
它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
1、LED电学特性1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。
LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
如左图：(1) 正向死区：（图oa或oa′段）a点对于V为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。
（2）正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系I F = IS(e qVF/KT –1) -------------------------IS为反向饱和电流。
V＞0时，V＞VF 的正向工作区IF随VF指数上升 IF= ISe qVF/KT（3）反向死区：V＜0时pn结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。
（4）反向击穿区 V＜- VR ，VR称为反向击穿电压；VR电压对应IR为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使V＜- VR 时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。
1.2 C-V特性鉴于LED的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×28 0um)，12×12mil (300×300um)，故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。
C-V特性呈二次函数关系（如图2）。
利用Flotherm对大功率LED封装的热分析
透镜 以及芯 片热沉等 各环节 的散热 问题 都必须 很好 地重 视 。大 多数塑料 和环 氧树脂暴 露在 紫外线 辐射 下都 会变黄 老化 。这 种老化 随着封 装结 构温度 的增 加会 越来越严 重 ， 而且 不可逆转 。 了最大 限度地减 为 少ｌ ＥＤ封 装树脂 的老 化效 应 。 装 中多余 热量 应避 封 免从 取光路 径散 出 。 此通 过设 计低 热阻 Ｌ Ｄ封装 为 Ｅ 结构将 其芯 片产生 的大部分 热量通 过芯 片底部 热沉 消散 到外界环 境 中去 。其 突破点就 是芯 片热沉 的结
［ 稿 日期］０ ０ ０ — ８ 收 ２ １— ２胶粘接在表 ］Ｅ ：
面绝缘 的芯 片热沉上 ．芯 片电极通 过金 线与 引线框
架连接 ． 芯片外部用硅橡胶或者其他热稳定性、 绝缘
性 以及 光学透 明的树脂 材料 封装 ，热沉 四周用 塑料
【 作者简介降 晶（９４ ， 福建龙岩人， １７一）女， 讲师， 主要从事数控技术教学工作。
构、 尺寸和材 料。
功率 ， 改善电子产品的性能和可靠性 ， 减少设计 、 生 产、 再设计和再生产的费用 。 缩短高性能电子设备的 研制周期。热分析软件能够 比较真实地模拟系统的
热状 况 。 应用 热分析 软件 ， 在设计 过程 中就能 预测到 器 件的工作 温度值 ， 样可 以纠正 不合理 的布排 ， 这 取 得 良好 的布局 ，从 而可以缩 短设计 的研制 周期 。其 次 ． 过若干 次的改进设 计 ． 计工 程师可 以对 电子 经 设
本文 主要 针对 某一 １ 单芯 片功 率型 Ｌ Ｄ的 ｗ Ｅ
设备进行有效的热控制，使它在规定的温度极限内 工作 ， 从而可以提高电子设备的可靠性。
目前 比 较 成 熟 的 商 品 化 功 率 型 发 光 二 极 管
键合层厚度对功率型LED器件热学性能的影响
率器件 的输 入功 率 大 于等 于 １ ，其 芯 片 尺 寸 仅 为 Ｗ
１ ｍ ×１ ｍ ｍｍ～ ．５ｍｍ × ． ｍ ， ２ ２ ５ｍ 芯片 的功率 密度
进行 热分 析 ， 结果表 明 ： 片键 合层 厚 度越 小 ， 芯 器件 的热 阻越 小 ， 热性 能越 好 。 因此 ， 用芯 片键合 层厚 度 对 散 选 功 率 Ｌ Ｄ器件 的 热性 能有 着重 大的 影响 。 Ｅ
关键 词 ： 率型 Ｌ Ｄ； 阻 ； 片键 合层 ； 热 系数 ； 热性 能 ； 学性 能 功 Ｅ 热 芯 导 散 热 对 于 大功率 Ｌ Ｄ来 说 ， 于 目前 的半 导 体 制 造 Ｅ 基 技术 ，Ｅ Ｌ Ｄ输 入功 率 中只 有大 约 １ ％ ～ ０ 的能量 ５ ２％ 转化 为光 能 ，其 他 的则 转 化 为 热 能 ¨ 。另 外 ，大 功 架 连接 ， 片外部 用硅 橡胶 或 者 其他 热 稳 定性 、 芯 绝缘
统 的简化 等 效热 阻 网络 ， 图 ２所示 。 如
由图 ２知 ， 以把 Ｌ Ｄ照 明系 统 总热 阻进 一 步 可 Ｅ
特性 、 片键合 材 料 及其 厚 度 、 率 支 架 、 流 通 道 芯 功 热
等环节 进行 分析 与优 化设 计 。
１ 大 功率 Ｌ Ｄ器件 几何 模型 Ｅ
以某汽 车车 灯 为 分 析 对 象 ， 车 灯 采 用 的是 单 该
很大 ， 防止 Ｌ Ｄ 的热 量 累 积 就 变 得 越 来 越 重 要 ， Ｅ
接在 散 热的热 量进 行 管理就 成 为大功 Ｅ
率 Ｌ Ｄ器件 封 装 和 器 件 应 用 设 计 要 解 决 的 核 心 问 Ｅ 题 。由于功 率 Ｌ Ｄ用 于 照 明等场合 ，控 制成 本 十分 Ｅ 重 要 ，同时大功 率 Ｌ Ｄ外部热 沉 的尺 寸也 不 允许 太 Ｅ 大 ，更 不 可 能 容 许 以 加 电风 扇 等 方 式 进 行 主 动 散 热 ，因此 ，大 功 率 Ｌ Ｄ 的 热 设 计 十 分 重 要 。如 果 Ｅ Ｌ Ｄ器件 的热 系 统设 计 不完 善 ， Ｐ Ｅ 从 Ｎ结 到 Ｌ Ｄ外 Ｅ 部环 境 （ 空气 ） 及 的热 阻大 ，导致 Ｐ Ｎ结 结温 高 ， Ｅ ＬＤ 芯 片将 快 速 劣 化 、 件 寿 命 缩 短 。 因 此 在 大 功 率 器 Ｌ Ｄ封 装设 计 中必须从 散 热性 能 的 角度 对 芯片 电极 Ｅ
基于辐射散热涂层的COB封装LED灯具热分析
• 102•本文研究了辐射散热涂层对LED 灯具热性能的影响。
采用ANSYS 有限元热分析软件仿真，在LED 灯具散热器上涂覆不同辐射率、热导系数和厚度的辐射散热涂层，对比其散热效果。
研究表明，辐射散热涂层辐射率越高，散热效果越好。
涂层厚度与结温成正比，其热导系数仅在小于1W/m·K 时对LED 灯具热性能略有影响。
当前，LED 灯具主要依靠自然散热，辐射散热涂层的使用融和了热传导、热对流、热辐射，形成三位一体的散热方式，其应用前景广阔。
LED 灯具以其寿命长、光效高、绿色环保等特点，继白炽灯、荧光灯之后掀起又一场照明光源革命。
光电转换效率是LED 散热效果的决定性参数，目前产业化的LED 灯具迫于半导体制造技术和成本控制要求，光电转换效率普遍分布于20%-40%之间，即有大量的电能转化为热能。
LED 灯具工作时产生的热能现阶段无法利用，并且严重影响其可靠性和寿命。
使用高导热材料制成散热翅片，使其被动散热是主流方法。
基于目前LED 灯具的封装结构，高达74％的热量由散热器散出，在热对流一定的情况下，通过在散热器上涂覆辐射散热涂层，能够快速地将热量从散热器过渡到空气环境中，提高散热效率。
推而广之，LED 热源从芯片发出传递至环境需经过粘贴层、铝基板以及散热器等部分，将其简化至三层平壁为例，傅立叶平壁热传导规律可以用下式表达：其中Δt 为各平壁温差，λ为各平壁导热系数，则R 为各平壁热阻。
从上式可以看到，在传导热量和环境温度相等的情况下，平壁越厚，热传导路径就越长，热阻变大，散热效率降低。
所以，综合涂覆辐射散热涂层后的LED 灯具热辐射性能的改善和热传导性能的恶化，必然存在一个辐射散热涂层有效厚度，超过这个厚度，使用辐射散热涂层后的LED 灯具的散热效果将得不偿失。
2 仿真模拟ANSYS 有限元分析软件在热学、力学、电磁学和耦合分析等方面有强大的功能和广泛的应用。
本文主要使用ANSYS 软件综合基于辐射散热涂层的COB封装LED灯具热分析广州赛宝认证中心服务有限公司 黄伟明 刘志敏图1 LED灯具散热模型1 理论分析热辐射遵循斯忒藩-波尔兹曼定律的经验公式，具体到LED 灯具，散热器表面越粗糙、颜色越深，其辐射率越高。
功率led热学特性研究
功率led热学特性研究LED（LightEmittingDiode），即发光二极管，是当今技术发展的重要组成部分，从照明产品到显示器，LED用广泛。
由于具有良好的节能、长寿命、可靠性和安装外形的优点，LED术可以满足用户在不同技术环境中的多种需求，在很大程度上改变了日常生活。
但是，随着LED扩大应用，其功率会随之升高，因此，功率LED 热学特性的研究变得越来越重要。
功率LED工作时会产生很大的热量，这种热量通常被称为热衰减。
热衰减对LED的寿命、照明效率和性能有重要影响，必须继续研究和改进。
本文旨在介绍有关功率LED热学特性的知识，并分析功率LED的热衰减原因以及应采取的最佳措施。
研究发现，功率LED的热衰减主要由其结构和工作条件所决定。
LED结构上的改进主要集中在降低LED热阻以及引入热散热器的情况下，可以改善热衰减状况。
工作条件方面，可以通过调整LED的工作电流以及散热器的参数等来改善热衰减状况。
关于功率LED热衰减的最佳控制方法，一般来说，应尽可能选择低功率LED；并建议在LED和外部元件之间引入电镀铜箔或贴片方式的热散热器；同时应尽可能采用低工作功率，以减少LED的热损耗。
此外，针对功率LED的热衰减，有必要定期检查和维护LED的电源硬件以及工作环境中的热量。
在总结上述内容的基础上，可以得出结论：功率LED热学特性的研究是非常重要的，因为它会对LED的寿命、照明效率和性能产生重要影响。
LED结构和工作条件对热衰减有重要影响，应采取选择低功率LED、引入电镀铜箔或贴片方式的热散热器、采用低工作功率、定期检查LED的电源硬件以及工作环境中的热量的措施来优化热衰减状况。
综上所述，功率LED热学特性的研究是十分重要的，可以在大大提升LED的效率、使用寿命和性能方面发挥重要作用。
采取科学的控制方案，可以减少LED的热衰减，保证LED正常使用，更有利于改善生活质量。
LED电学光学热学特性参数
LED主要参数及电学、光学、热学特性LED电子显示屏是利用化合物材料制成pn结的光电器件。
它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
1、LED电学特性1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。
LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
如左图：(1) 正向死区：（图oa或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。
（2）正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS 为反向饱和电流。
V＞0时，V＞VF的正向工作区IF 随VF指数上升IF = IS e qVF/KT（3）反向死区：V＜0时pn结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。
（4）反向击穿区V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使V＜- VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。
1.2 C-V特性鉴于LED的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。
C-V特性呈二次函数关系（如图2）。
由1MHZ交流信号用C-V特性测试仪测得。
1.3 最大允许功耗PF m当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IFLED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。
大功率LED灯的热分析与热设计
光谱 中不包 含红外部分 ，即其热量不 能依靠辐射释
放； 其次 ，Ｅ Ｌ Ｄ灯具 的扩 散热 阻及接 触 热阻都很 大 。 而 散 热性 差 会 导 致很 严 重 的后果 ，如减 少 Ｌ Ｄ的光 输 Ｅ 出、 缩短 器 件 的寿 命 、 偏移 Ｌ Ｄ所 发 光 的 主波 长等 …。 Ｅ
收 稿 日期 ：０ 一 Ｏ Ｏ ２ １ １— ９ Ｊ
中图 分 类 号 ：Ｎ ０ ． ；Ｍ９ ３ Ｔ ３５９ Ｔ ２ ４ 文 献 标 志码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ １ ４ ５ （０ ２ ０ — ２ ０ ０ １０ — ５ １２ １ ）２ ０ ２ — ４
Ｔｈ ｒ ａ ｎ ｌ ｓｓ ＴＭ Ｐ ｔ ｅ ｍ ａ ｅ ｉ ｎ ｂ ｓ ｄ ｏ ｉ ｈ ｐ ｗｅ ｅ ｍ ｌａ ａ ｙ ｉ ｈ ｒ ｌ ｓｇ ａ ｅ ｎ ｈ ｇ － ｏ ｒ ＬＥＤ ｄ
பைடு நூலகம்
级 和 系统 集 成 散热 级 ］ 中 ， 片 是 主 要 的发 热 部 。其 芯 件， 其量 子 效 率 决 定 发热 效 率 ， 底 材料 决 定 芯 片 向 衬 外 传热 效率 ； 对封 装 而言 ， 装结 构 、 料 以及 丁艺直 封 材
大于 １ 的 Ｌ Ｄ 芯片能量利用率还 比较低 ， Ｗ Ｅ ， 目前 的 电光转换效 率约为 ２％， ０ 其余 均转化为热能 ， 而芯片
尺寸仅 为 ｉ ｌ ｌ２２５ ２５ｍ ， ｘ Ｔ￣ ．ｘ ． ｍ。导致 芯 片的功 率 密度 ｍ１ 很 大 （ ｌ ｍ 级 ）属 于 高热 流 密度 器件 。但 是 达 ｍ量 Ｗ／ ， Ｌ Ｄ器件 的散 热性 比较 差 ， 先 因为 白光 Ｌ Ｄ的发光 Ｅ 首 Ｅ
接影响散热效率 ； 系统集成散热级也就是所谓 的外部 散热器 ， 主要包括散热片 、 热管 、 风扇 、 均温板等 。近
热学能量转换实验报告
一、实验目的1. 理解热学能量转换的基本原理；2. 探究不同能量转换方式在实际应用中的效果；3. 分析能量转换过程中的能量损失；4. 探索提高能量转换效率的方法。
二、实验原理热学能量转换是指将一种能量形式转化为另一种能量形式的过程。
常见的能量转换有：热能转化为机械能、电能转化为光能、化学能转化为电能等。
本实验主要研究以下几种能量转换：1. 热能转化为机械能：利用热机原理，通过加热高温热源，使热能转化为机械能；2. 电能转化为光能：利用电灯泡、LED灯等，将电能转化为光能；3. 化学能转化为电能：利用电池、燃料电池等，将化学能转化为电能。
三、实验内容与步骤1. 热能转化为机械能（1）实验材料：热机、温度计、秒表、量筒等；（2）实验步骤：① 记录热机初始温度；② 将热机加热至一定温度，记录加热时间；③ 测量热机输出功率，计算热机效率；④ 分析热机能量转换效果，探讨提高热机效率的方法。
2. 电能转化为光能（1）实验材料：电灯泡、电源、电压表、电流表、电阻等；（2）实验步骤：① 记录电灯泡的额定功率和电压；② 连接电路，使电流通过电灯泡；③ 测量实际功率、电压和电流，计算电灯泡的效率；④ 分析电灯泡能量转换效果，探讨提高电灯泡效率的方法。
3. 化学能转化为电能（1）实验材料：电池、电压表、电流表等；（2）实验步骤：① 记录电池的电压和容量；② 连接电路，测量实际电压和电流；③ 计算电池的效率；④ 分析电池能量转换效果，探讨提高电池效率的方法。
四、实验结果与分析1. 热能转化为机械能实验结果显示，热机在加热过程中，热能转化为机械能的效率较低，约为20%。
分析原因如下：（1）热机在加热过程中，部分热能以热传导、对流和辐射的形式散失；（2）热机内部存在摩擦、阻力等因素，导致能量损失；（3）热机设计不合理，导致热能无法充分利用。
2. 电能转化为光能实验结果显示，电灯泡的效率约为10%。
分析原因如下：（1）电灯泡在发光过程中，部分电能转化为热能，导致光能利用率降低；（2）电灯泡内部存在电阻，导致能量损失；（3）电灯泡设计不合理，导致光能无法充分利用。
LED 行业中的传热学问题之一热阻被滥用
Q X + d X = −λ ⋅ f (d dX )[θ + (dθ dX ) ⋅ dX ]
d θ dX
2 2
= m θ ， m = αU λ f
2
Ө—X 处的肋片温度与环境空气的差（ t - t ∞ ）
-2-
（一） 、若肋片材料不变，肋厚 δ 不变，对流传 热系数 α 不变 1、增加肋高 h 一倍，使参数
结束语
1、 LED 散热技术创新固然重要，但是正确的传热学 基础知识补课更重要； 2、 “热阻”概念不可滥用，否则简单的传热问题会 被复杂化； 3、 板式热管用于 LED 照明灯散热是一件荒诞的事。
2
径为 40mm 的等厚度环肋，表面换热系数折算成 （40/2）］ Л=47W/ m •k， α=4×0.12/2× ［ （90/20）散热片为铝板（λ=200W/m•k） ，则参数
2α λδ ⋅ (rL − ro ) = 2 × 47 200 × 3 × 10 −3 (45 − 20) × 10 −3 = 0.31
α λδ h 由原值 0.5 增加到 0.71，而肋效率由 0.86
减小到 0.785，0.785/0.86=0.91，由此可见，肋片 厚度减半，即肋片材料用量减半， 而肋片散热量为原 值的 0.91，只降低了 9%，也就是说减少肋片厚度， 是减少肋片材料用量非常有效的方式， 这就是为什么 空调中（冷凝器和蒸发器）中的肋片厚度都在 0.1mm 左右，非常薄。 （三） 、如果肋片高 h 和肋片厚 δ 不变，对流传 热系数 α 不变， 改变导热系数 λ， 即改变肋片材料， 由铜材改用铝材， 参数 材后，参数
LED 行业中的传热学问题之一
——“热阻”概念被滥用
秦 彪
深圳市秦博核芯科技开发公司 Tel:13148861947 深圳留学人员（龙岗）创业园二园 306 室 Email:qinb@ 摘要：本文阐述了“热阻”概念在 LED 散热分析中滥用问题，通过对肋片的散热过程，应用两种方法分
功率led热学特性研究
功率led热学特性研究
随着半导体技术的不断发展，LED具有尺寸小、重量轻、体积小、低功耗、速度快、良好的光学性能等优点，因此，它经常被用作指示灯、控制灯、护栏灯、以及主要的室内照明等。
但是，由于其特殊的结构，微小的LED封装中的热传导受到很大的限制，从而导致LED的热量不能及时及彻底的散发，这是LED故障的主要原因之一。
因此，了解LED的热学特性以及温度在设计中的重要性显得尤为重要。
本文详细介绍了LED的热学特性，首先介绍了LED工作时的热环境，包括LED电源、LED灯座、LED封装和机械结构等。
其次，阐述了当LED恒定工作时和周围环境温度发生变化时LED暴露在各种热环境下的表现，讨论了LED功率热量的来源，包括固有损耗、吸收损耗和外界热量等，并且分析了LED的热学特性的研究方法。
最后介绍了LED功率热量对LED封装和散热片的影响以及LED散热的技术，特别是在热电偶、热敏电阻等传感器装置的使用上提出了自身的见解。
实验结果表明，LED在工作时受到的热量有多种来源，包括固有损耗和吸收损耗。
因此，如果LED的温度升高，它的生命周期会受到影响，导致功耗及亮度降低。
实验结果还表明，通过改变LED的电源电压、光源特性以及使用不同的封装形式可以改善LED的散热性能。
LED的散热主要通过热电偶和热敏电阻等传感器来实现，从而提高LED的使用效率和可靠性。
结论：如果想要提高LED功率热量的控制和散热性能，系统设计人员应根据LED元件的特性，考虑LED的电源电压、光源性能以及封
装形式的选择，同时应综合考虑使用热电偶和热敏电阻等传感器装置，以便在功耗和可靠性方面发挥最大的价值。
LED节能灯的工作原理
LED节能灯的工作原理节能灯主要是通过镇流器给灯管灯丝加热，大约在1160K温度时，灯丝就开始发射电子（因为在灯丝上涂了一些电子粉），电子碰撞氩原子产生非弹性碰撞，氩原子碰撞后获得了能量又撞击汞原子，汞原子在吸收能量后跃迁产生电离1、LED发光机理：PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。
由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。
这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。
这就是PN结发光的原理。
2、LED发光效率：一般称为组件的外部量子效率，其为组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积。
所谓组件的内部量子效率，其实就是组件本身的电光转换效率，主要与组件本身的特性（如组件材料的能带、缺陷、杂质）、组件的垒晶组成及结构等相关。
而组件的取出效率则指的是组件内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后，实际在组件外部可测量到的光子数目。
因此，关于取出效率的因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组件及封装材料的折射率差及组件结构的散射特性等。
而组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积，就是整个组件的发光效果，也就是组件的外部量子效率。
早期组件发展集中在提高其内部量子效率，主要方法是通过提高垒晶的质量及改变垒晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效率，从而可获得70%左右的理论内部量子效率，但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论上的极限。
在这样的状况下，光靠提高组件的内部量子效率是不可能提高组件的总光量的，因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题。
目前的方法主要是：晶粒外型的改变——TIP结构，表面粗化技术。
3、LED电气特性：电流控制型器件，负载特性类似PN结的UI曲线，正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化（指数级别），反向漏电流很小，有反向击穿电压。
LED照明热设计研究毕业论文
LED照明热设计研究毕业论文目录前言 (II)第一章概述 (1)1.1 LED的发展史 (1)1.2 LED国技术进展和市场前景分析 (1)第二章 LED的基础知识 (3)2.1 LED的结构 (3)2.2 LED的光源基本特征 (3)2.2.1 发光效率高 (3)2.2.2 耗电量少 (4)2.2.3 使用寿命长 (4)2.2.4 安全与环保 (4)2.3 LED光源的特点 (4)2.4 常见LED的分类 (5)2.4.1 按发光管发光颜色分类 (5)2.4.2 按发光管出光面特征分类 (5)2.4.3 按发光二极管的结构分类 (5)2.4.4按发光强度和工作电流分类 (5)2.4.5按功率分类 (6)2.4.5按封装形式分类 (6)2.5 大功率LED封装结构 (6)2.6 常见照明灯具与LED的各性能对比 (6)第三章热设计的理论基础 (9)3.1 LED照明热的产生 (9)3.2 散热的基础理论 (9)3.2.1 热传导 (9)3.2.2 热对流 (10)3.2.3 热辐射 (11)第四章 LED的指标 (12)4.1 LED的主要性能指标 (12)4.1.1 LED的颜色 (12)4.1.2 LED的电流 (12)4.1.3 LED的电压 (12)4.1.4 LED的反向电压VRm (12)4.1.5 LED的色温 (12)4.1.6 LED发光强度 (12)4.1.7 LED光通量 (13)4.1.8 LED的使用寿命 (13)4.2 LED的热学指标 (13)4.2.1 热阻Rth (13)4.2.2 LED的结温 (14)4.3 LED正常工作条件或状态 (15)第五章大功率LED散热分析 (16)5.1 大功率LED照明热设计流程 (16)5.2 大功率LED照明热设计方案 (16)5.2.1 结温的评估 (17)5.2.2 热阻的评估计算 (17)5.2.3 LED灯具对流热传递计算 (17)5.2.4 LED灯具导热传递计算 (17)5.2.5LED灯具辐射热传递计算 (18)5.3 计算分析LED实验并得出结论 (18)第六章 LED照明灯具的应用及对未来的展望 (19)6.1 道路交通领域 (19)6.2 交通工具领域 (19)6.3显示屏 (19)6.4 农业 (19)6.5 渔业 (19)6.6 医疗 (20)6.7 通信 (20)结束语 (21)致谢 (22)参考文献 (23)第一章概述1.1 LED的发展史1907年Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。
LED 基本特性
LED参数与特性LED（发光二极管）是利用化合物材料制成pn结的光电器件。
它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
1、LED电学特性1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。
LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
如图：(1) 正向死区：（图oa或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。
（2）正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS 为反向饱和电流。
V＞0时，V＞VF的正向工作区IF 随VF指数上升IF = IS e qVF/KT（3）反向死区：V＜0时pn结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。
（4）反向击穿区V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使V＜- VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。
1.2 C-V特性鉴于LED的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil(300×300um)，故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。
C-V 特性呈二次函数关系（如图2）。
由1MHZ交流信号用C-V特性测试仪测得。
1.3 最大允许功耗PF m当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IFLED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。
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5m/s空气速度。 ♣试验区截面:20.3x20.3cm2 。
♣ T型热电偶固定在试验区中心
边墙上。
LED热学模型
LED PN结内产生的热量从芯片开始沿着下述热学通道传输： PN结—反射腔—印刷板—空气（环境）
LED热学模型
总热阻可以表示为从结－环境这一热路（thermal
1 1
T_ o At_ r R a J r B la L( y 1 ) E _ R J D B L( N E ) _ R D J B
R R R
J B
J S
S B
T_ o A 1 t_ r R a J r B l a L( y 1 ) E 1 _ R J D B L( N E ) 1 _ R D J T B o _A ta r_ lR r J a B yLE _ ED N m _ R iJ t B t
♣仅对自然对流冷却 环境估算结温有用。
T T T JA
JAPJTHJ
TAfAinfailTnAainlitiaAl initial PH
P P H
JA
H
T Ainitial
T Afinal
分别表示容器内一个限定 位T置Ainit的ial 热平衡初始和最终 温度。
NC-100 Natural Convection Chamber
JX
KIHVVHF
K aK b
测量校准方法
♣先使温度控制环境的初始温 度稳定在接近室温的低温 (Tlow)状态，测量正向电压 Vlow。
♣使温度增加到高温(Thigh), 稳定后测量Vhigh的数值。
K ThighTlow Vlow Vhigh
TCS-100 Temperature Calibration System
热平衡最终管壳温度 JCPTHJ
TPfinalTPinitial PH
♣ LED结到管壳之间形成的
热阻。
PH
♣要求一个无穷大热沉和管壳
顶面相接触。
♣ 可以用内部嵌有热电偶的大
块无氧铜替代。
♣ 记录热沉的温度变化，达到
稳态时测试。
结－环境热阻 JA
♣ LED结到周围环 境形成的热阻。
♣测试时，器件放入 1立方英尺容器。
TJ=TJi+ ΔTi
这里TJi是测量开始前LED结温
的初始温度。
LED结温测量的电流电压波形
IM
选择至关重要。除取典 型值0.1,1.0,5.0,10.0毫
安外，可取伏安特性的
击穿点。
热阻测试波形
校准测量数据的冷却曲线
JX
KIHVVHF
K aK b
被测器件撤除加热电流的 瞬间，结温立即下降，但 是电压测K量a和K读数需要一 定时间,因此b所获得的测 量数据有误差。通常要作 出被测器件的冷却曲线从 而对测量数据进行修正。
定义在某一给定时刻的热阻为瞬态 热阻抗，瞬态热阻抗反映了传热体 的热惯性在热量传递的瞬变过程中 对热阻的改变。
结－管壳热阻
PT T P T JC
J H
PfiJnCaPTlHJ
PTPifinnailTtPiianitlial
PH
H
PH
芯片耗散功率
TPinitial
T Pfin a l
热平衡初始管壳温度
自然对流(静止空气) 热参数测量腔
自然对流(静止空气)热测量腔
♣ 在标准化静止空气(对流)环境测量芯片/管壳( JA) 组合和管壳/热沉( JHS)组合的热阻օ
♣ 腔内尺寸为1 ft3,它与外部环境热隔离。通过前 面门可进入腔内部，提起插销后可打开门,插销放 置在腔外面。当完全闩栓住的时候，装在门上密 封材料被些微地压紧确保外部气流不进入腔内。 为测定腔内环境温度,把一个热电偶安装在后腔壁 上的塑料管内。它通常装备一个T型热电偶和超小 型联接器。
流动空气环境热阻 JMA
♣固定在标准的热试验板上的芯片/管 壳组合在流动空气环境形成的热阻。
♣管壳顶上加热沉。 ♣可应用于测量计算在空气速度已知
的强迫对流环境的结温。
WT-100
Wind Tunnel
♣测量流动空气(强迫对流)环境
芯片/管壳组合( JMA)和管
壳/热沉组合的热阻。 ♣空气从底部抽进从顶部排出。
LED热学参数测试研究
引言
LED器件的热学性能会直接影响到器件发光 效率、强度、光谱特性、工作稳定性和使 用寿命。因此对LED器件的热学参数进行 分析研究，采用标准化的方法进行测量， 满足检测中心和企业需要;同时为满足仲裁 测试、数据报告等组建公共测试平台, 开发 商业化的测量设备，这些都是半导体照明 工程中的一项关键性工作。
path）中各个单个热阻之和。
JA
JS
SB
BA
JS
为芯片和芯片粘脂到印刷板间的热阻。
BA
为印刷板和接触环境空气的热沉之间组合的热阻 JS
结温计算:
T JT AP dJA
多元LED热阻
多元LED产品的热阻可
以采用并联热阻的模型
来确定. 1
热阻基本概念
LED热学设计的目的在于预 言LED芯片的结温，所谓结 温是指LED芯片PN结的温 度。
热阻定义为热流通道上的温度差与通道上耗散功率 之比
Thermal Resisitance & Thermal Impedance
瞬态和稳态热阻
半导体结与壳体或环境温度之间的 稳态条件需数秒或数分钟才能达到。 为提高效率,可以采用测量瞬态热阻 抗的方法。
TCS-100 Temperature Calibration System
♣ The TCS-100 is designed to simplify the gathering of data for K Factor calibration of diodes.
1
1
1
T_ o At_ r R a J r B l a L T( y 1 o _ ) E A t_ a R r_ lR r J J a B D B yL E _ E D N m L _ R iJ t B ( tN eE ) r_ R D J B
C/mv
LED结温测量的电试验法
在和低正正向向电电压流增时量，成线PN性结相温关升。♣开关置1,加电流IM,测得正向电压
相系关数系,单数位K: 即C温/度m-v-电压敏感
VFi。 ♣开关置2,快速加上加热电流IH,测量
正向电压VH
♣开关置1,快速加电流IM,测量正向
♣ 电ΔV压F=V│Ff。VFi-- VFf│
ΔTi =K·ΔVF