引言
隨著LED超高亮度的出現(xiàn)及LED色彩的豐富,LED的應(yīng)用也由最初的指示擴(kuò)展到交通、大屏幕顯示、汽車(chē)剎車(chē)燈、轉(zhuǎn)向燈、工程建筑裝飾燈、特種照明領(lǐng)域并正在向普通照明積極推進(jìn)。阻礙這一發(fā)展的最大敵害是LED的熱量管理,因此從事熱阻、結(jié)溫、熱參數(shù)匹配等問(wèn)題的研究和改進(jìn)具有深遠(yuǎn)的意義。
如何降低大功率LED的熱阻、結(jié)溫,使PN結(jié)產(chǎn)生的熱量能盡快的散發(fā)出去,不僅可提高產(chǎn)品的發(fā)光效率,提高產(chǎn)品的飽和電流,同時(shí)也提高了產(chǎn)品的可靠性和壽命。據(jù)有關(guān)資料分析,大約70%的故障來(lái)自LED的溫度過(guò)高,并且在負(fù)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(chǎn)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(jié)膠等,各材料的熱阻要低即要求導(dǎo)熱性能好;其次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理,各材料間的導(dǎo)熱性能和膨脹系數(shù)要連續(xù)匹配。避免導(dǎo)熱通道中產(chǎn)生散熱瓶頸或因封裝物質(zhì)的膨脹或收縮產(chǎn)生的形變應(yīng)力,使歐姆接觸、固晶界面的位移增大,造成LED開(kāi)路和突然失效。
目前測(cè)量半導(dǎo)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(shù)法,還有光譜法,光熱阻掃描法及光功率法。其中電壓法測(cè)量LED熱阻最常用。
一. LED熱的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和疏散
與傳統(tǒng)光源一樣,半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)在工作期間也會(huì)產(chǎn)生熱量,其多少取決于整體的發(fā)光效率。在外加電能量作用下,電子和空穴的輻射復(fù)合發(fā)生電致發(fā)光,在P-N結(jié)附近輻射出來(lái)的光還需經(jīng)過(guò)晶片(chip)本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達(dá)外界(空氣)。綜合電流注入效率、輻射發(fā)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(zhuǎn)化為光能,其余60-70%的能量主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉(zhuǎn)化熱能。而晶片溫度的升高,則會(huì)增強(qiáng)非輻射復(fù)合,進(jìn)一步消弱發(fā)光效率。
大功率LED一般都有超過(guò)1W的電輸入功率,其產(chǎn)生的熱量相當(dāng)可觀,解決散熱問(wèn)題乃當(dāng)務(wù)之急。通常來(lái)說(shuō),大功率LED照明光源需要解決的散熱問(wèn)題涉及以下幾個(gè)環(huán)節(jié):
1. 晶片PN結(jié)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(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成大功率LED光源熱傳導(dǎo)的主要通道,熱傳導(dǎo)通道上任何薄弱環(huán)節(jié)都會(huì)使熱導(dǎo)設(shè)計(jì)毀于一旦。熱的傳播方式可分為三種:(1)傳導(dǎo)——熱量是通過(guò)逐個(gè)原子傳遞的,所以不能采用高熱阻的界面材料;(2)對(duì)流——熱量通過(guò)流轉(zhuǎn)的介質(zhì)(空氣、水)擴(kuò)散和對(duì)流,從散熱器傳遞到周?chē)h(huán)境中去,故不要限制或阻止對(duì)流;(3 )輻射——熱量依靠電磁波經(jīng)過(guò)液體、氣體或真空傳遞。對(duì)大功率LED照明光源而言傳導(dǎo)方式起最主要的作用,為了取得好的導(dǎo)熱效果,三個(gè)導(dǎo)熱環(huán)節(jié)應(yīng)采用熱導(dǎo)系數(shù)高的材料,并盡量提高對(duì)流散熱。
二. 大功率LED熱阻的計(jì)算
1.熱阻是指熱量傳遞通道上兩個(gè)參點(diǎn)之間的溫度差與兩點(diǎn)間熱量傳輸速率的比值:Rth=△T/qx (1)
其中:Rth=兩點(diǎn)間的熱阻(℃/W或K/W),ΔT=兩點(diǎn)間的溫度差(℃),qx=兩點(diǎn)間熱量傳遞速率(W)。
2. 熱傳導(dǎo)模型的熱阻計(jì)算
Rth=L/λS (2)
其中: L為熱傳導(dǎo)距離(m),S為熱傳導(dǎo)通道的截面積(m2),λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)(W/mK)。越短的熱傳導(dǎo)距離、越大的截面積和越高的熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)熱阻的降低越有利,這要求設(shè)計(jì)合理的封裝結(jié)構(gòu)和選擇合適的材料。
3. 大功率LED的熱阻計(jì)算
(1) 根據(jù)公式(1),晶片上P-N結(jié)點(diǎn)到環(huán)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(jié)點(diǎn)溫度 - 環(huán)境溫度 。
(2)設(shè)定晶片上P-N結(jié)點(diǎn)生成的熱沿著以下簡(jiǎn)化的熱路徑傳導(dǎo):結(jié)點(diǎn)→熱沉→鋁基散熱電路板→空氣/環(huán)境(見(jiàn)圖1),則熱路徑的簡(jiǎn)化模型就是串聯(lián)熱阻回路,如圖2表示:
P-N結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的總熱阻:
Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba
圖2中所示散熱路徑中每個(gè)熱阻抗所對(duì)應(yīng)的元件介于各個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)之間,其中:Rthjs(結(jié)點(diǎn)到熱沉) = 晶片半導(dǎo)體有源層及襯底、粘結(jié)襯底與熱沉材料的熱阻;
Rthsb(熱沉到散熱電路板) =熱沉、連結(jié)熱沉與散熱電路板材料的熱阻;
Rthba(散熱電路板到空氣/環(huán)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(huán)境空氣的組合熱阻。
根據(jù)公式(2),如果知道了個(gè)材料的尺寸及其熱傳導(dǎo)系數(shù),可以求出以上各熱阻,進(jìn)而求得總熱阻Rthja。
以下是幾種常見(jiàn)的1W大功率LED的熱阻計(jì)算:以Emitter(1mm×1mm晶片)為例,只考慮主導(dǎo)熱通道的影響,從理論上計(jì)算P-N結(jié)點(diǎn)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(jiàn)圖3所示)
圖3 倒裝焊晶片/銀膠固晶 大功率LED剖面圖