PDF《有关大功率LED实时热阻分析》

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86 有关大功率LED实时热阻分析 文/北京动力源科技股份有限公司 佟勇 The Real-time Thermal Resistance Analysis of High Power LED 摘要:随着半导体照明技术的不断发展,LED 已经被应用于越来越多的照明领域,大功率 LED 也就应运而生.

但是, 伴随着 LED 功率的逐渐增大,散热问题就变得极为突出了.而热阻作为衡量散热性能好坏的关键参数,对它的分析就具 有重要的理论及实际意义.热阻过大会使温度过高,直接影响了大功率 LED 波长、发光效率、正向压降以及使用寿命等. 因此,本文提出了一种基于多点温度测量的大功率 LED 实时热阻分析方法.本文设计了一种数据采集方案,对大功率 LED 热阻分析的不确定度进行了计算,验证了整个分析方法的真实性和可靠性.

1 引言 伴随着 LED 功率的不断增加,散热问题已经成为制约 大功率 LED 推广的主要因素.当LED 的功率越大,它的封 装结构越复杂,而它的体积变得更小,也就使 LED 的功率密 度愈来愈大.功率密度越大,则散热问题就越严重,散热不 好将会导致大功率 LED 的PN 结结温升高,进而使 LED 产 生光衰现象,使用寿命变短,严重可能导致芯片被烧毁.对 于大功率 LED 散热问题的研究将对大功率 LED 的未来的推 广起到十分重要的作用.对于热阻的分析是具有重要的理论 意义和实际意义的.

2 大功率 LED 热阻理论及模型建立 2.1 热阻理论 对于大功率 LED 来说,热量主要靠热传导和热对流两 种方式. 热传导的原理遵循傅立叶定律,可以表述为在单位时间 内热传导过程中,通过一定截面的热量与垂直于此截面上的 截面面积和温度变化率成正比,如公式 (1) 所示: (1) 对于热对流来说,液体的热对流现象没有气体的明显. 用牛顿冷却公式来表达: (2) 或者是 (3) 由式(2)和(3)可知,对流传热传递的热量与流体与 固体表面的温差及它们之间的换热面积成正比,比例系数即 为表面传热系数.对流换热的过程是比较复杂的,换热表面 的几何形状、流体的物理性质和物理状态的改变以及换热面 的边界条件等都会对对流换热造成一定的影响. 2.2 热阻模型 热阻的概念与电阻相类似,热传递路径上两点的温差 相当于电压,热传递过程产生的热量相当于电流,而热阻就 相当于电阻.热阻定义为在热平衡状态下,两个规定点或者 区域之间的温度差与产生这两点之间热耗散功率之比,单位 是℃ / W,用公式表达为: (4) 其中,Rth 为热阻,t1 和t2 分别为两点的温度,P 为消 耗功率. 对于大功率 LED 热传递方式的分析可知,对于壁厚为 单层平壁热传导过程,若两个表面的温度分别为 t1 和t2,则 由傅立叶定律,即式 (1) 可知: (5) 即, (6) 对于大功率 LED,这种在固体之间以热传导的方式传递 热量的过程中遇到的热阻被称作导热热阻. 而在对流换热的过程中,根据牛顿冷却公式,即式 (2) 和式 (3) 可以得出: (7) 即, (8) 大功率 LED 的散热结构通常是由以下几个部分组成的: 大功率 LED 芯片模组、金属线路板以及外部热沉,芯片通过 焊盘被焊接在金属线路板上,而印刷电路板与外部热沉相接 来向外部散热,典型的大功率 LED 散热结构图如图

1 所示. 根据大功率 LED 的散热结构可知,大功率 LED 的散热 过程如下:大功率 LED 芯片发光产生热量,热量通过热传导 方式从芯片内部向金属线路板传递,再经过金属线路板向外 部热沉传递,最后通过热对流的方式实现外部热沉与外界空 气之间的热量传递. 根据大功率 LED 的整体结构以及它的散热过程可以 总结出大功率 LED 的热阻模型,具体如图