【圖】大功率LED熱阻及熱傳導(dǎo)的計算方法
(2012/2/1 0:10:00)
大功率LED熱阻及熱傳導(dǎo)的計算方法
大功率LED熱阻及熱傳導(dǎo)的計算方法
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展到交通、大屏幕顯示、汽車剎車燈、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。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)匹配等問題的研究和改進具有深遠的意義。
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％的故障來自LED的溫度過高，并且在負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開路和突然失效。
目前測量半導(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)附近輻射出來的光還需經(jīng)過晶片（chip）本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達外界（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)生的點陣振動的形式轉(zhuǎn)化熱能。而晶片溫度的升高，則會增強非輻射復(fù)合，進一步消弱發(fā)光效率。
大功率LED一般都有超過1W的電輸入功率，其產(chǎn)生的熱量相當可觀，解決散熱問題乃當務(wù)之急。通常來說，大功率LED照明光源需要解決的散熱問題涉及以下幾個環(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)都會使熱導(dǎo)設(shè)計毀于一旦。熱的傳播方式可分為三種：（1）傳導(dǎo)——熱量是通過逐個原子傳遞的，所以不能采用高熱阻的界面材料；（2）對流——熱量通過流轉(zhuǎn)的介質(zhì)（空氣、水）擴散和對流，從散熱器傳遞到周圍環(huán)境中去，故不要限制或阻止對流；（3 ）輻射——熱量依靠電磁波經(jīng)過液體、氣體或真空傳遞。對大功率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，并盡量提高對流散熱。
二． 大功率LED熱阻的計算
1.熱阻是指熱量傳遞通道上兩個參點之間的溫度差與兩點間熱量傳輸速率的比值：
Rth＝△T/qx �。�1）
其中：Rth=兩點間的熱阻（℃/W或K/W），ΔT=兩點間的溫度差（℃），qx=兩點間熱量傳遞速率（W）。
2. 熱傳導(dǎo)模型的熱阻計算
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)對熱阻的降低越有利，這要求設(shè)計合理的封裝結(jié)構(gòu)和選擇合適的材料。
3. 大功率LED的熱阻計算
（1） 根據(jù)公式（1），晶片上P-N結(jié)點到環(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)點溫度 - 環(huán)境溫度 。
（2）設(shè)定晶片上P-N結(jié)點生成的熱沿著以下簡化的熱路徑傳導(dǎo)：結(jié)點→熱沉→鋁基散熱電路板→空氣/環(huán)境（見圖1），則熱路徑的簡化模型就是串聯(lián)熱阻回路，如圖2表示：
P-N結(jié)點到環(huán)境的總熱阻：
Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba
圖2中所示散熱路徑中每個熱阻抗所對應(yīng)的元件介于各個溫度節(jié)點之間，其中：Rthjs(結(jié)點到熱沉) ＝ 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），如果知道了個材料的尺寸及其熱傳導(dǎo)系數(shù)，可以求出以上各熱阻，進而求得總熱阻Rthja。
以下是幾種常見的1W大功率LED的熱阻計算：以Emitter(1mm×1mm晶片)為例，只考慮主導(dǎo)熱通道的影響，從理論上計算P-N結(jié)點到熱沉的熱阻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（見圖3所示）
大功率LED熱阻及熱傳導(dǎo)的計算方法
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展到交通、大屏幕顯示、汽車剎車燈、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。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)匹配等問題的研究和改進具有深遠的意義。
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％的故障來自LED的溫度過高，并且在負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開路和突然失效。
目前測量半導(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)附近輻射出來的光還需經(jīng)過晶片（chip）本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達外界（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)生的點陣振動的形式轉(zhuǎn)化熱能。而晶片溫度的升高，則會增強非輻射復(fù)合，進一步消弱發(fā)光效率。
大功率LED一般都有超過1W的電輸入功率，其產(chǎn)生的熱量相當可觀，解決散熱問題乃當務(wù)之急。通常來說，大功率LED照明光源需要解決的散熱問題涉及以下幾個環(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)都會使熱導(dǎo)設(shè)計毀于一旦。熱的傳播方式可分為三種：（1）傳導(dǎo)——熱量是通過逐個原子傳遞的，所以不能采用高熱阻的界面材料；（2）對流——熱量通過流轉(zhuǎn)的介質(zhì)（空氣、水）擴散和對流，從散熱器傳遞到周圍環(huán)境中去，故不要限制或阻止對流；（3 ）輻射——熱量依靠電磁波經(jīng)過液體、氣體或真空傳遞。對大功率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，并盡量提高對流散熱。
二． 大功率LED熱阻的計算
1.熱阻是指熱量傳遞通道上兩個參點之間的溫度差與兩點間熱量傳輸速率的比值：
Rth＝△T/qx �。�1）
其中：Rth=兩點間的熱阻（℃/W或K/W），ΔT=兩點間的溫度差（℃），qx=兩點間熱量傳遞速率（W）。
2. 熱傳導(dǎo)模型的熱阻計算
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)對熱阻的降低越有利，這要求設(shè)計合理的封裝結(jié)構(gòu)和選擇合適的材料。
3. 大功率LED的熱阻計算
（1） 根據(jù)公式（1），晶片上P-N結(jié)點到環(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)點溫度 - 環(huán)境溫度 。
（2）設(shè)定晶片上P-N結(jié)點生成的熱沿著以下簡化的熱路徑傳導(dǎo)：結(jié)點→熱沉→鋁基散熱電路板→空氣/環(huán)境（見圖1），則熱路徑的簡化模型就是串聯(lián)熱阻回路，如圖2表示：
P-N結(jié)點到環(huán)境的總熱阻：
Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba
圖2中所示散熱路徑中每個熱阻抗所對應(yīng)的元件介于各個溫度節(jié)點之間，其中：Rthjs(結(jié)點到熱沉) ＝ 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），如果知道了個材料的尺寸及其熱傳導(dǎo)系數(shù)，可以求出以上各熱阻，進而求得總熱阻Rthja。
以下是幾種常見的1W大功率LED的熱阻計算：以Emitter(1mm×1mm晶片)為例，只考慮主導(dǎo)熱通道的影響，從理論上計算P-N結(jié)點到熱沉的熱阻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（見圖3所示）
圖3 倒裝焊晶片/銀膠固晶 大功率LED剖面圖
三、大功率LED熱阻的測量
1. 原理
半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率具有熱敏性，改變溫度可以顯著改變半導(dǎo)體中的載流子的數(shù)量。禁帶寬度通常隨溫度的升高而降低，且在室溫以上隨溫度的變化具有良好的線性關(guān)系，可以認為半導(dǎo)體器件的正向壓降與結(jié)溫是線性變化關(guān)系：
ΔVf=kΔTj （K：正向壓降隨溫度變化的系數(shù)）
則從公式（1）及其推導(dǎo)可知，大功率LED的熱阻（結(jié)點到環(huán)境）為：
Rthja＝ΔVf /（K*Pd ）
式中， Pd＝熱消散速率，目前約有60％～70％的電能轉(zhuǎn)化為熱能，可取Pd＝0.65*If*Vf計算。
只要監(jiān)測LED正向壓降Vf的改變，便可以求得K值并算出熱阻。
2. 測量系統(tǒng)
熱阻測試系統(tǒng)如圖4，要求測試中采用的恒溫箱控溫精度為±1℃，電壓精度1mv。圖中R1是分流電阻，R2用來調(diào)整流過LED的電流大小，通過電阻R1、R2和恒流源自身的輸出調(diào)節(jié)，可以精確控制流過LED的電流大小，保證整個測試過程中流過LED的電流值恒定。
3. 測試過程
（1）測量溫度系數(shù)K：
a. 將LED置于溫度為Ta的恒溫箱中足夠時間至熱平衡,此時Tj1= Ta ；
b. 用低電流（可以忽略其產(chǎn)生的熱量對LED的影響，如If’ = 10mA）快速點測LED的Vf1；
c. 將LED置于溫度為Ta’(Ta’>Ta)的恒溫箱中足夠時間至熱平衡，Tj2=Ta’；
d. 重復(fù)步驟2，測得Vf2；
e. 計算K：
K＝(Vf2-Vf1)/(Tj2-Tj1)＝(Vf2-Vf1)/( Ta’- Ta)
（2）測量在輸入電功率加熱狀態(tài)下的變化：
a. 將LED置于溫度為Ta的恒溫箱中，給LED輸入額定If使其產(chǎn)生自加熱；
b. 維持恒定If足夠時間至LED工作熱平衡，此時Vf達至穩(wěn)定，記錄If ,Vf；
c. 測量LED熱沉溫度（取其最高點）Ts；
d. 切斷輸入電功率的電源，立即（〈10ms）進行（1）之b步驟，測量Vf3。
（3）數(shù)據(jù)處理：
△Vf＝ Vf3－Vf1，
取Pd＝0.65*If*Vf計算：
Rthja＝△Vf/（K*Pd）
Rthsa＝（Ts－Ta）/Pd
＝（Ts－Ta）/（0.65*IF*Vf）
Rthjs＝Rthja－Rthsa
四、討論
1. Tj （P-N結(jié)點溫度）
一般而言，溫度會影響P-N結(jié)禁帶寬度，結(jié)點溫度升高造成禁帶寬度變窄，使得發(fā)光波長偏移，并引發(fā)更多的非可見光輻射導(dǎo)致發(fā)光效率降低。另外，晶片溫度過高會對晶片粘結(jié)膠及四周的保護膠造成不良影響，加快其老化速度，甚至可能引起失效。Lumileds公司提出的失效計算公式如下：
其中， 是結(jié)點溫度為T2時的失效概率， 是結(jié)點溫度為T1時的失效概率，EA＝ 0.43eV，K＝8.617*10-5 eV/K。根據(jù)此公式，失效概率隨著Tj的升高會愈來愈槽糕。
大功率LED產(chǎn)品的最高結(jié)點溫度（Tjmax）的高低主要取決于晶片的性能，若是封裝材料受溫度限制則Tjmax需適當降低，通常Tjmax不能大于125℃。但是，隨著晶片技術(shù)的進步和封裝技術(shù)的提高，目前可見到的K2系列產(chǎn)品之Tjmax已經(jīng)能達到150℃。
1. 計算、測量熱阻的意義
1） 為LED封裝散熱設(shè)計提供理論和實踐依據(jù)
a. 選擇合適的晶片：對晶片不能只要求出光效率高，必需針對制程中解決散熱的能力采用足夠高Tjmax的晶片。在實踐中我們發(fā)現(xiàn)，某些種類的晶片只經(jīng)過24H老化就有較大衰減，這與其耐高溫性能比較差相關(guān)。
b. 評估/選擇支架、散熱鋁基板：依Rthsa或Rthba作為目標值，查對物料供應(yīng)商提供的物料資料并計算其熱阻，剔除不合要求的物料。通過試樣，測試、對比不同物料的熱阻，可做到擇優(yōu)而用。
C. 評估粘結(jié)膠及其效果：一般使用到的晶片粘結(jié)膠是銀膠或錫膏，熱沉與散熱鋁基電路板間的結(jié)合膠是導(dǎo)熱硅膠或其它散熱膠，膠體的導(dǎo)熱系數(shù)、膠的厚度、結(jié)合面的質(zhì)量制約熱阻的大小。粘結(jié)膠是否合適，必需通過實驗，測得熱阻作為評估結(jié)論的判斷依據(jù)之一。
2） 推測Tj
通過熱阻等參數(shù)可以推測Tj，進而可以與設(shè)定的Tjmax比較，檢驗Tj是否符合要求。晶片溫度與產(chǎn)品失效概率密切相關(guān)，在知悉某Tj時的失效概率的情況下，可以求得產(chǎn)品在推測出來的Tj時的失效概率。
3） 評估LED工作時可能遭遇的最高環(huán)境溫度
設(shè)定Tjmax后，相應(yīng)地可以導(dǎo)出環(huán)境溫度的最高值。為了保證產(chǎn)品的信賴性，大功率LED產(chǎn)品應(yīng)給出散熱鋁基電路板的表面最高溫度或環(huán)境（空氣）溫度以指導(dǎo)下游應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)。
2. 在大功率LED的應(yīng)用中改善熱量處理
前面提到大功率LED的P-N結(jié)溫（Tj）過高會引起發(fā)光衰減、使用壽命縮短、波長漂移等問題，為保證Tj低于Tjmax，要求合理設(shè)計二次散熱結(jié)構(gòu),并計算最大輸入功率、大功率LED應(yīng)用產(chǎn)品的環(huán)境溫度。
設(shè)計大功率LED應(yīng)用產(chǎn)品時，應(yīng)盡量選擇導(dǎo)熱性較好的材料并設(shè)計散熱通道，減少熱阻薄弱環(huán)節(jié)。使用過程中，對于Ta較高的環(huán)境，在無法減小熱阻的情況下，可適當降低輸入電功率，即減少Pd值，犧牲亮度以保證信賴性。
五、總結(jié)
通過對大功率LED熱的產(chǎn)生、熱阻、結(jié)溫概念的理解和理論公式的推導(dǎo)及熱阻測量，我們可以指導(dǎo)大功率LED的實際封裝設(shè)計、評估和產(chǎn)品應(yīng)用。需要說明的是，文中說明的電壓法測量熱阻方法簡單但操作上有一定難度，需反復(fù)實驗、修正。熱量管理是在LED產(chǎn)品的發(fā)光效率不高的現(xiàn)階段的關(guān)鍵問題，從根本上提高發(fā)光效率以減少熱能的產(chǎn)生才是釜底抽薪之舉，這需要晶片制造、LED封裝及應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)技術(shù)的進步。
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