防止过高的 LED 结温

电路

普通的高亮度 (HB) LED 仅将约 45% 的应用能量转换给可见光子，其余的则产生热量。如果产生的这些热量不能从 LED 充分散去，将会导致过热，并可能造成灾难性故障。即使不出现灾难性故障，LED 结温升高也会造成光输出下降、颜色发生变化和/或预期寿命显著缩短。
本文介绍了如何计算结温，并说明热阻的重要性。文中探讨了较低热阻 LED 封装替代方法，如芯片级和板载 (COB) 设计，并介绍了影响散热器性能的因素。
热量如何产生并影响 LED
当在 LED 的 P-N 结适当施加足够的电压时，电流会流经该结，同时产生光和热。但是，普通的高亮度 (HB) LED 仅将约 45% 的应用能量转换为光，其余的则产生热量。
由于 P-N 结较小，单位面积的生热率就大：一个 1 W、1 mm2 的 LED 可产生高达 100 W/cm2 的热量。随着结温升高，LED 的正向电压和流明输出下降。为了延长使用寿命并保持性能，LED 工作期间的结温必须保持在制造商的规格范围内。
如图 1 所示，在恒定工作电流下，结温每升高 10°C，正向电压下降约 20 mV。具体而言，在恒定电流 350 mA 下，LED 结温从 25˚C 升至 80˚C 时，正向电压下降 0.17 V。

图 1：高 LED 结温使正向电压下降。（来源： Osram）
同样，如图 2 所示，结温从 25˚C 升至 80˚C 时，光输出下降 10%。如果 LED 在 25˚C 时产生 90 流明，那么在结温 80˚C 时，它只会产生 81 流明。简言之，在恒定工作电流下，结温每升高 10°C，发光效率下降约 1.8%。

图 2： LED 结温升高使光输出下降。（来源： Osram）
LED 主波长是 LED 主要发出的光子波长，这决定了 LED 的颜色。对于单色 LED，如图 3 所示的红色 626nm LED，主波长随着结温升高而增加，同时颜色发生改变。

图 3：结温升高改变主波长，进而改变 LED 的颜色。（来源： Osram）
计算结温
固态照明设备的效率在很大程度上取决于结温，而结温又主要取决于三个因素：输入功率；LED 结和环境温度之间的热阻以及环境温度。输入功率决定产生多少热量，而热阻和环境条件决定如何有效地散热。
两个重要导热路径的热阻会影响结温。一是封装底部的热触点和 LED 结之间的热阻。二是热触点到环境之间的热阻。
LED 结的温度 (TJ) 是环境温度 (TA) 与结到环境的热阻（下式中的 Rth j-a）和耗散功率 Pd (If x Vf) 之积的总和。热阻是指每单位耗散功率的元器件温度升高值，单位 °C/W。
等式为：
在设计照明系统时，务必要了解 LED 器件从结到环境的导热路径，以确保最大热性能。为了简单起见，这里我们只讨论 LED 结和环境之间的热阻总和，但在实际的 LED 照明系统中，将会有大量热阻确定整个系统的导热路径。
低热阻允许在高电流下驱动 LED，以便增加亮度，同时不存在因过热造成早期故障的过大风险。制造商的规格书中应当提供 LED 的最高结温和热阻。
封装可以提供帮助
LED 结到封装底部热触点的热阻取决于封装的设计。认识到这点后，工程师们便致力于开发更具热效率的设计，如芯片级封装 (CSP) 器件和板载 (COB) LED。
CSP 技术不再有传统的次黏着基台，而是直接将 LED 芯片贴装到印刷电路板（图 4）。直到最近，CSP 才广泛用于 LED，以前是因为难以从如此小的器件中提取热量。但是，能效增加和耐温性升高已经解决了该问题。

图 4： CSP 技术诸多优势包括低热阻。（来源： Samsung Semiconductor）
CSP 没有标准的定义，但业界通常认为“芯片级封装 LED”可以是尺寸与 LED 发光区域同等或者比 LED 发光区域大最多 20% 的任何器件。 CSP 具有比传统 LED 更低的热阻，这主要是由于 CSP LED 和印刷电路板散热器表面之间的金属对金属结合面。
例如，Samsung Semiconductor SCP8RT78HPL1R0S06E 的封装热阻只有 2°C/W。 Samsung 的 CSP 技术结合倒装片技术和磷光体涂层技术，从而无需金属线和塑料模具，因此可缩小传统 LED 封装的尺寸。
在 COB 方法中，制造商将大量芯片直接封装到基底上。 Bridgelux Vero 和 V 系列 LED 阵列的低热阻（范围从 1.6°C/W 到低至 0.25°C/W）是通过导热路径和电气路径分离的 LED 芯片结构来实现的。
要实现良好传热，有必要将 LED 连接到清洁、平整、光滑的散热器。此外，LED 和散热器之间还需使用导热界面材料 (tiM)，以实现良好传热。 LED 供应商 Cree 宣称其 CX 系列 LED（如 CXA1304-0000-000C00A427F）的陶瓷基底背面比其他 COB LED 上常用的铝基底背面光滑十倍。
为了测定散热器平整度，Cree 建议使用刀片作为直尺，查看刀片边缘和散热器之间是否有任何间隙（图 5）。

图 5：检查散热器平整度。（来源： Cree）
导热界面材料和散热器
典型 LED 照明系统具有多个 HB LED 封装，这些封装连接到基底并安装到散热器上。由于 LED 不像传统白炽灯泡那样散发热量，因此它们产生的热量必须通过基底传导出去。传统导热基底包括两种类型的陶瓷： Al2O3（氧化铝或矾土）和 AlN（氮化铝）。装配期间，基底底部表面应当与散热器的安装表面完全接触。在 LED 和散热器之间使用导热界面材料 (TIM)，以填充小空隙和气隙，从而帮助导热。若 LED 和散热器之间存在空隙，导热路径效率将下降。 TIM 可以有多种形式，如粘合剂、润滑脂、凝胶、导热垫、焊锡合金和环氧树脂。
散热器是这个散热结构的最后一部分。散热器将 LED 产生的热量带走，这样有助于结温保持在可接受限制内。设计人员应当考虑散热器的表面、表面积、空气动力学、传热和安装。
散热器有三种工作方式：传导（从一种固态介质到另一种固态介质传热）、对流（从固态介质到移动流体传热，通常是空气），或者辐射（从两个表面温度不同的物体传热）。散热器通常由金属制成，如铝或铜，并带有大量翅片来增加表面积（表 1）。
材料导热率 (W/mK)
铁79.5
铝205
铜385
空气（0°C 时）0.024表 1：常用散热器材料和空气的导热率（来源： Bridgelux）
为了帮助冷却，可以通过散热器采用无源或有源冷却方法。根据一般的经验，每瓦待耗散功率应当通过 10 平方英寸的散热器表面积耗散。
结论
大多数 LED 故障机理都与温度有关。即使 LED 结温升高没有造成故障，它也会造成光输出下降、颜色发生变化和/或预期寿命显著降低。本文谈到如何计算结温，并提及热阻的重要性。文中还讨论了较低热阻 LED 封装替代方法，如芯片级和板载 (COB) 设计，并探讨了影响散热器性能的因素。