LED散热基本知识

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1、LED散热基本知识2主要内容§8-1LED发热原理及散热的必要性§8-2LED散热途径§8-3LED热工模型§8-4LED热管理§8-5应用案例3§8-1LED发热原理及散热的必要性1.LED的热量产生原因LED的基本结构是一个半导体PN结。LED发热的原因是所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化为热能。电流流过LED元件时，PN结的温度降上升，把PN结区的温度定义为LED结温。内部量子效率不高。“电流泄露”使PN区载流子的复合率降低。目前内量子效率可达90%，不占主要成分。外量子效率不高。内部产生的光子无法全部射出

2、到芯片外部而最后转化为热量，目前外量子效率只有30%左右，是主要成分。41.LED的热量产生原因LED的基本结构是一个半导体PN结。LED发热的原因是所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化为热能。电流流过LED元件时，PN结的温度降上升，把PN结区的温度定义为LED结温。内部量子效率不高。“电流泄露”使PN区载流子的复合率降低。目前内量子效率可达90%，不占主要成分。外量子效率不高。内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，目前外量子效率只有30%左右，是主要成分。产生热量的原因1图(a)电子与空穴结合产

3、生辐射复合，辐射光子能量为hv≈Eg。图(b)在非辐射复合中，电子与空穴结合后转化为晶格振动（以热量的形式表现）在目前的技术条件下，不同波长的LED芯片中，非辐射复合百分比从1％（红橙色）～97％（深紫色）不等，因此芯片内量子效率为99％（红橙色）～3％（深紫色）LED散热原理与技术简介产生热量的原因2芯片PN结处发出的光子在通过芯片表面的时候，由于芯片的折射率远大于空气和封装用的硅胶，存在全反射的现象，导致到达表面的光子被反射回芯片内部，最终转换成了热量。外量子效率的定义为：ηex＝芯片发射出的光子数量/PN结产生的光子

4、数量。通常外量子效率从3％～30％不等（2008年）制作白光单元的时候，由于荧光粉存在激发效率，也存在部分激发能量转换为热量。不合理的光学设计也会导致产品出光效率低下，为出射的光能转化为热能。因此综合上述原因，目前高亮度的LED产品仅有20％左右的电能最终转换为光能。LED散热原理与技术简介72.LED发光特点LED是一种注入电致发光器件，在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将一部分能量转化为光能，即量子效应，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能量转化为热能。对大于1W级的大功率LED而言。目前的电光转换效率

5、约为15％，剩余的85％转化为热能，而芯片尺寸仅为1mmx1mm-2.5mmx2.5mmm，意即芯片的功率密度很大。与传统的照明器件不同，自光LED的发光光谱中不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放。因此，如何提高散热能力是大功率LED实现产业化有待解决的关键技术难题之一。大功率LED广义上说就是单颗LED光源功率大于0.35W(含0.35W)的，拥有大额定工作电流的发光二极管。普通LED功率一般为0.05W、工作电流为20mA，而大功率LED可以达到1W、2W、甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。其单位时间

6、内产生的热量更多，对其正常照明有很大的影响。3.热效应对大功率LED性能的影响其中：Фv（Tj1）=结温Tj1时的光通量Фv（Tj2）=结温Tj2时的光通量ΔTj=Tj2-Tj1k=温度系数①光通量Фv与结温Tj的关系(1)温度与光通量的关系102021/8/6AlInGaP类LED光输出与结温关系图相对光输出Tj（℃）橙红色黄色红色InGaN类LED光输出与结温关系图相对光输出绿色蓝绿色蓝色白色深蓝色Tj（℃）当LED的结温升高时，器件的输出光强度将逐渐减少。光通量随结温的增加而减少的效应是可逆的，即当温度回复到初始温度时，

7、光通量会有一个恢复性的增长。这种效应的机制显然是由于材料的一些相关参数会随温度发生，从而导致器件参数的变化。随温度的增加，电子与空穴的浓度会增加，禁带宽度会减小，电子迁移率也将减小。势阱中电子与空穴的辐射复合几率降低，造成非辐射复合(产生热量)，从而降低LED的内量子效率122021/8/6②光通量与环境温度的关系Ta（℃）相对光通量橙红色黄色Ta=100℃时，LED的光通量将下降至室温时的一半左右。LED的应用必须考虑温度对光通量的影响。132021/8/6(2)波长与结温Tj的关系LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长

8、。峰值波长即光强最大的波长，而主波长可由X、Y色度坐标决定，反映了人眼所感知的颜色。显然，结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受。对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。142021/8/6(2)波长与结温T