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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。
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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） |
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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 威廉希尔官方网站 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 威廉希尔官方网站 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 威廉希尔官方网站 结合倒装片威廉希尔官方网站 和磷光体涂层威廉希尔官方网站 ，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） |
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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）。 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。 |
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