LED作為一種新型的半導(dǎo)體光源己愈來愈受到業(yè)界的重視,，LED燈和背光源己在多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，本文將介紹LED半導(dǎo)體光源的一些特點及相關(guān)熱管理" title="熱管理">熱管理（Thermal management）的目的,、要點,、“熱歐姆定律”、熱流傳輸及節(jié)點溫度檢測分析方法,、導(dǎo)熱石墨及鋁散熱器應(yīng)用的對比的初步實驗結(jié)果,，供讀者參考。
LED半導(dǎo)體光源的特點
與白熾燈,、傳統(tǒng)日光燈及鹵素?zé)舨煌?，LED半導(dǎo)體光源是用半導(dǎo)體材料制成的，由一PN結(jié)構(gòu)成,，空穴—電子對復(fù)合產(chǎn)生光,，工作在PN結(jié)的正向，P區(qū)為正（陽）極,，N區(qū)為負（陰）極,。LED半導(dǎo)體光源體積小、發(fā)光效率高,，響應(yīng)時間短,、節(jié)能。此外,，它還有傳統(tǒng)光源所沒有的特點：
1. 與一般PN結(jié)器件（如二極管）類似的特性：
正向（forward）電壓必須超過一定的閾值才有電流,；
正向電壓和正向電流均為負溫度系數(shù)，隨溫度升高而減少,；
反向時,，無電流不工作。
2. 像所有半導(dǎo)體器件一樣其工作溫度要受以下一些因素的制約：
結(jié)溫必須保持在額定值95 ℃ ～125 ℃ 以下（視發(fā)光器件而異）,，否則將引起失效,；
如表面有塑料透鏡的，還將受透鏡材料熔點溫度的限制,；
LED的亮度與正向電流相關(guān),，而在結(jié)溫超過一定值后正向電流減小，亮度減弱,。
通常LED的失效模式有二種可能：光衰變（Light degradation）和整體失效（Total failure）,。當(dāng)發(fā)射光降至其初始值的50％時發(fā)生光衰變,；除超過允許最高結(jié)溫引起整體失效外，整體失效的發(fā)生還由于內(nèi)部開路所致,，這包括：芯片與引線框架之間,，芯片與鍵合絲之間，以及鍵合絲與引線框架之間等,。失效原因之一是LDE樹脂玻璃透鏡超溫,，再軟化，再冷卻后產(chǎn)生的應(yīng)力使內(nèi)部發(fā)生開路,。
使用者了解這些特性十分重要,，特別是其熱特性。這不禁使筆者想起當(dāng)年晶體管取代電子管在電子電路中應(yīng)用時的情景,，由于作為半導(dǎo)體器件的晶體管對溫度的敏感性,，在應(yīng)用伊始，一些過去熟悉電子管應(yīng)用的工程技術(shù)人員認為晶體管雖然有許多優(yōu)點,，但其可靠性不如電子管,，然而新生事物的力量是不可阻擋的，隨著應(yīng)用技術(shù)的進步,，采用溫度補償和負反饋抑制溫度漂移和穩(wěn)定工作點等方法,，己使晶體管及半導(dǎo)體集成電路技術(shù)成為今天電子信息技術(shù)的核心技術(shù)。在光源技術(shù)領(lǐng)域,，LED的應(yīng)用技術(shù)也必將經(jīng)歷如何揚長避短這一過程,。
熱管理設(shè)計與“熱歐姆定律”
進行熱管理設(shè)計的目的是：
·確保器件在合適的條件下工作，以達到高可靠性,；
·防止在超應(yīng)力條件下驅(qū)動,，延長LED的工作壽命；
·在最大可能電流下工作,，以提高光輸出性能,。
熱管理的要點是：通過導(dǎo)熱和散熱使LED工作溫度保持在合理的范圍內(nèi)。通常依靠熱傳導(dǎo)將LED的熱量導(dǎo)向散熱片,，再將“埋在”散熱片中的熱量散發(fā)出去,，這一“導(dǎo)”一“散”非常重要，缺一不可,，且散熱不僅要依靠傳導(dǎo)還要靠對流和輻射等方式。
在進行熱管理分析時,，常用的基本定律是熱流定律即所謂“熱歐姆定律”,。
在分析電流傳輸時，歐姆建立了眾所周知的歐姆定律即：U=R*I ,，這里R為電阻,，I為電流,，U為電阻R兩端的電位差。而在熱流傳輸時有形式上與其相似形式的定律即： △T=Rth*Po 也被一些應(yīng)用者稱為“熱歐姆定律”(實際上此定律與歐姆無關(guān)),。
這里Rth表示熱阻,，表征熱流傳輸?shù)淖枇Α挝粸椤?nbsp;/W,；
Po為熱流,，即單位時間傳輸?shù)臒崃縋o=Q (熱量)/t (時間)，量綱與功率相同,。
△T表示熱流傳輸途中兩點間的溫差,，即此兩點間熱阻上的溫差。
在檢測電子電路時我們常用萬用表檢測相關(guān)結(jié)點的電位和電位差即電壓,。而在檢測熱流傳輸時則可用點溫計,、熱電偶及及紅外熱像儀來檢測熱流傳輸路徑上相關(guān)節(jié)點的溫度及溫差。
在歐姆定律中,，串聯(lián)電路中電流處處相等,，而熱流傳輸則并不如此，在某些點會因為熱阻過大而使熱流傳輸受阻,，使熱量積聚,。
用“熱歐姆定律”可以檢測和估算的有：
類似于電路分析中建立等效電路，在熱流分析時亦可建立等效熱流路徑圖,。
檢測和估算LED結(jié)溫" title="LED結(jié)溫">LED結(jié)溫Tj,；
判別相關(guān)結(jié)點間的散熱效果，熱阻大??；
評估使用不同材質(zhì)散熱器時LED工作狀態(tài)的優(yōu)劣。
在熱流分析時有幾個重要的溫度結(jié)點分別是：
芯片PN結(jié)的結(jié)點溫度Tj ,，應(yīng)小于產(chǎn)品規(guī)定的額定值,，以使其工作在安全范圍內(nèi)。
焊點溫度Ts,，即LED引出端與基座板焊盤處的溫度,。
散熱器片與外環(huán)境界面溫度Ta
要使熱源LED產(chǎn)生的散出來，使結(jié)溫Tj保持在合理安全的數(shù)值,，以期獲得器件允許的最大正向電流If得到最高的發(fā)光效果是關(guān)鍵所在,。
分析實例
這里要介紹的三實例是：熱流圖的建立、計算某SMT封裝結(jié)構(gòu)(SMD型)LED的結(jié)溫Tj,，以及使用不同散片材料對LED性能影響的初步實驗,。
1．等效熱流圖
圖1和圖2分別為SMT封裝(即SMD型)LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和靜態(tài)等效熱路。
圖1：SMD型LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（點擊圖片查看原圖）
圖中箭頭所指為熱流傳輸路徑,。
圖2：SMD型 LED靜態(tài)等效熱路圖 （點擊圖片查看原圖）
在此靜態(tài)等效熱路中,，內(nèi)部熱阻由4部份串聯(lián)而成,，即內(nèi)部熱阻=芯片熱阻+芯片鍵合(附著)熱阻+引線框熱阻+焊點熱阻。外部熱阻由特定應(yīng)用條件所決定,，如LED組裝在PCB板上,，則其外部熱阻=焊盤熱阻+PCB熱阻。
Po為熱流,，Tj為結(jié)溫,，Ts為焊點溫度，Ta為環(huán)境界面溫度,。
2. 結(jié)溫檢測及估算：
對某一(LAE67B)SMT封裝結(jié)構(gòu)的LED,，用點溫計測得焊點溫度Ts=70℃ 同時測得外加正向電壓U為2.1V，正向電流為50mA,。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中查得LAE67B的熱阻值130 oC /W,，并假設(shè)電功率全部轉(zhuǎn)換為熱流，按“熱歐姆定律”計算：
Tj=130130 ℃ /W *50mA*2.1V+70 ℃ =83.7 ℃
實際結(jié)溫Tj小于最高允許結(jié)溫125℃ ,，工作是安全的,。
3.使用不同散熱片材料對LED性能影響的初步實驗
從前述分析可以看出，溫度對LED的發(fā)光性能,、壽命及可靠性都有很大影響,，散熱效果對了的LED性能的影響是一個涉及面很廣研討課題。本示例僅是初步的實驗,。
實驗中,，對同一LED，分別選用鋁及導(dǎo)熱石墨散熱器散熱,，加相同正向電壓,，記錄正向電流值、焊點溫度及照度值,。實驗結(jié)果表明,；由于導(dǎo)熱石墨材料的熱阻遠小于鋁，LED點亮后在較低電流下石墨散熱器處溫度Ta升溫速率快,，經(jīng)過一段時間平衡后略高于鋁板散熱器處溫度,，前者亮度也略高，在長時間開啟和較大電流工作情況下,，差異逐漸明顯,。
結(jié)語
本文介紹了對LED進行熱管理設(shè)計的重要性、目的要求,、設(shè)計管理要點,、檢測分析方法和實例分析。LED燈的整體失效和光衰耗均與溫度有關(guān),，影響的因素有：LED周邊環(huán)境溫度,；在LED接合點和外部間的導(dǎo)熱通道；,；芯片釋放的能量等,。雖然進行熱管理設(shè)計、實施的要點是LED熱量的一“導(dǎo)”一“散”降低各部份的熱阻,。但還是涉及到諸多方面：
避免外界熱量傳至LED結(jié)合點,，使Ta溫度升高(如將驅(qū)動電路和LED電路板隔開)；
LED焊盤設(shè)計與組裝工藝,，要考慮熱電兼容的因素,；
最重要的是：散熱片(器)的選擇與組裝(包括組裝位置與朝向)，也包括新型導(dǎo)熱材料與散熱片器的選用,；
鑒于篇幅有限,，不再贅述。而封裝熱阻及外散熱裝熱阻都與所用材料的導(dǎo)熱性能及組裝技術(shù)密切相關(guān),。這些都是筆者及業(yè)界同仁關(guān)心的熱點,，我們期待著在這一領(lǐng)域取得新的進展。