深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,*,2024/11/16,1,LED,的热量管理,Thermal Management Considerations for LEDs,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,2023/9/261LED的热量管理深圳市量子光电子有限公司,2,2024/11/16,LED,是冷光源吗？,一、热对,LED,的影响,（,1,）,LED,的发光原理是电子与空穴经过复合直接发出光子，过程中不需要热量。,LED,可以称为冷光源。,（,2,）,LED,的发光需要电流驱动。输入,LED,的电能中，只有约,15%,有效复合转化为光，大部分（约,85%,）因无效复合而转化为热。,（,3,）,LED,发光过程中会产生热量，,LED,并非不会发热的冷光源。,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,22023/9/26LED是冷光源吗？一、热对LED的影响（,3,2024/11/16,2.,热对,LED,性能和结构,的影响,其中：,v,（,T,j1,）,=,结温,T,j1,时的光通量,v,（,T,j2,）,=,结温,T,j2,时的光通量,Tj=T,j2,-T,j1,k=,温度系数,LED,电致发光过程产生的热量和工作环境温度（,T,a,）的不同，引起,LED,芯片结温,T,j,的变化。,LED,是温度敏感器件，当温度变化时，,LED,的性能和封装结构都会受到影响，从而影响,LED,的可靠性。,(1),光通量与温度的关系,光通量,v,与结温,T,j,的关系,v,（,T,j2,）,=,v,（,T,j1,）,e,-k,Tj,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,32023/9/262.热对LED性能和结构的影响 其中：,4,2024/11/16,AlInGaP,类,LED,光输出与结温关系图,相对光输出,T,j,（）,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,T,j,（）,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,42023/9/26AlInGaP类LED光输出与结温关系图,5,2024/11/16,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。,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,52023/9/26光通量与环境温度的关系 Ta（）相对,6,2024/11/16,(2),波长与结温,Tj,的关系,d,（,T,j2,）,=,d,（,T,j1,）,+k,T,j,白光,LED,色温,结温飘移曲线,T,j,（）,CCT(K),白色,k=,/,T,j,:LED,波长,-,结温飘移率,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,62023/9/26(2)波长与结温Tj的关系 白光LED色,7,2024/11/16,(3),正向压降,V,f,结温,Tj,的关系,V,f,（,T,j2,）,=V,f,（,T,j1,）,+k,T,j,k=,Vf/,T,j,：正向压降随结温变化的系数，通常取,-2.0mV/,.,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,72023/9/26(3)正向压降Vf结温Tj的关系 深圳,8,2024/11/16,(4),热对发光效率,v,的影响,在输入功率一定时：,热量,结温,T,j,正向压降,V,f,电流,I,f,热量,发光效率,v,LED,内部会形成自加热循环，如果不及时引导和消散,LED,的热量，,LED,的发光,效率将,不断降低,。,(5),热对,LED,出光通道的影响,加速出光通道物质的老化；,降低通道物质的透光率；,改变出光通道物质的折射率，影响光线的空间分布；,严重时改变出光通道结构。,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,82023/9/26(4)热对发光效率v的影响 在输入功率,9,2024/11/16,(6),热对,LED,电通道（欧姆接触,/,固晶界面）的影响,环氧树脂热膨胀系数随温度变化曲线,引致封装物质的膨胀或收缩；,封装物质的膨胀或收缩产生的形变应力，使欧姆接触,/,固晶界面的位移增大，造成,LED,开路和突然失效。,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,92023/9/26(6)热对LED电通道（欧姆接触/固晶界,10,2024/11/16,(7),热对,LED,寿命的影响,不同温度下,AlInGaP Power LED,老化测试结果,测试时间（小时）,相对光输出,实际数据,外推数据,实际数据,外推数据,实际数据,外推数据,不同温度下,InGaN Power LED,老化测试结果,实际数据,外推数据,实际数据,外推数据,实际数据,外推数据,测试时间（小时）,相对光输出,1,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,102023/9/26(7)热对LED寿命的影响 不同温度,11,2024/11/16,二、,LED,的热工模型,1.,LED,热量的来源,输入的电能中（约,85%,）因无效复合而产生的热量；,来自工作环境的热量。,2.,LED,的热工模型,LED,芯片很微小，其热容可忽略；,输入电能中大部分（约,85%,）转化为热量，一般计算中忽略转化为光的部分能量（约,15%,），假设所有的电能都转变成了热；,在,LED,工作热平衡后，,T,j,=T,a,+R,thja,P,d,其中,R,thja,=LED,的,PN,结与环境之间的热阻,;P,d,=,I,f,V,f,：,LED,的输入功率。,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,112023/9/26二、LED的热工模型1.LED热量的,12,2024/11/16,三、,LED,热阻的计算,1.,热阻的概念,热阻：热量传导通道上两个参考点之间的温度差与两点间热量传输速率的比值。,其中：,R,th,=,两点间的热阻（,/W,或,K/W,）,T=,两点间的温度差（）,q,x,=,两点间热量传递速率（,W,）,热传导模型的热阻计算,其中：,L,为热传导距离（,m,）,S,为热传导通道的截面积（,m,2,）,为热传导系数（,W/mK,）,S,T,2,T,1,L,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,122023/9/26三、LED热阻的计算 1.热阻的概念,13,2024/11/16,LED,的热阻计算,(LED,工作热平衡后,T,j,=T,a,+,T,j,),深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,132023/9/26LED的热阻计算(LED工作热平衡后,14,2024/11/16,2.,分立,LED,热阻的计算模型,LED,热通道上各环节都存在热阻，热通道的简化热工模型是串联热阻回路。,j,a,b,s,R,thjs,R,thsb,R,thba,j,s,b,R,thja,=R,thjs,+R,thsb,+R,thba,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,142023/9/262.分立LED热阻的计算模型,15,2024/11/16,T,j,T,s,R,thjs,R,thsb,3.,集成,LED,阵列热阻的计算模型,T,b,T,a,R,thba,集成,LED,（假定热阻一致）阵列热阻利用并联阻抗模型计算：,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,152023/9/26TjTsRthjsRthsb3.集成L,16,2024/11/16,4.,几种常见的,1W,大功率,LED,的热阻计算,以,Emitter,（,1mm,1mm,芯片）为例，只考虑主导热通道的影响，从理论上计算,PN,结到热沉的热阻,R,thjs,。,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,162023/9/264.几种常见的1W大功率LED的热阻计,么么么么方面,Sds,绝对是假的,么么么么方面Sds绝对是假的,18,2024/11/16,A.,正装芯片,/,银胶固晶,B.,正装芯片,/,共晶固晶,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,182023/9/26A.正装芯片/银胶固晶 B.正装芯片/,19,2024/11/16,C.,Si,衬底金球倒装焊芯片,/,银胶固晶,D.,Si,衬底金球倒装焊芯片,/,共晶固晶,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,192023/9/26C.Si衬底金球倒装焊芯片/银胶固晶,20,2024/11/16,F.,AlN,衬底共晶倒装芯片,/,共晶固晶,E.,AlN,衬底共晶倒装芯片,/,银胶固晶,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,202023/9/26F.AlN衬底共晶倒装芯片/共晶固晶,21,2024/11/16,从以上计算可见：,固晶工艺对,LED,热阻有较大影响；,倒装芯片在导热上比正装芯片稍优；,正装芯片,/,共晶固晶在导热上并不比倒装芯片差；,目前实际制造的,LED,成品热阻,R,thjs,比以上理论计算高出,1,倍左右，说明制造工艺水平还有很大的提升空间。,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,212023/9/26从以上计算可见：深圳市量子光电子有限公,22,2024/11/16,5.,几种常见,LED,的热阻参考值,6.,热阻对光输出饱和电流的影响,相对光通量,输入电流（,mA,）,热阻值越大，光输出越容易饱和，饱和电流点越低。,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhen Quantum Optoelectronic Co.,Ltd.,222023/9/265.几种常见LED的热阻参考值 6.热,23,2024/11/16,四、,LED,热阻的测量,1.,理论依据,半导体材料的电导率具有热敏性，改变温度可以显著改变半导体中的载流子的数量。禁带宽度通常随温度的升高而降低，且在室温以上随温度的变化具有良好的线性关系。可以认为半导体器件的正向压降与结温是线性变化关系。,V,f,=k,T,j,（,K,：正向压降随温度变化的系数）,只要监测,LED,正向压降,V,f,的改变，便可以确定其热阻。,深圳市量子光电子有限公司 Shenzhe