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LED光源结温产生的原因分析及对策

作 者:康耐德智能关注:55发表时间:2018-07-10 11:09:36来源:原创

1、什么是LED光源的结温?
LED的基本结构是一个半导体的P-N结。实验指出,当电流流过LED元件时,P-N结的温度将上升,严格意义上说,就把P-N结区的温度定义为LED结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸,因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。


2、产生LED光源结温的原因有哪些?
在LED工作时,可存在以下五种情况促使结温不同程度的上升:


A、元件不良的电极结构,视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值,这些电阻相互垒加,构成LED元件的串联电阻。当电流流过P-N结时,同时也会流过这些电阻,从而产生焦耳热,引致芯片温度或结温的升高。


B、由于P-N结不可能极端完美,元件的注人效率不会达到100%,也即是说,在LED工作时除P区向N区注入电荷(空穴)外,N区也会向P区注人电荷(电子),一般情况下,后一类的电荷注人不会产生光电效应,而以发热的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入电荷,也不会全部变成光,有一部分与结区的杂质或缺陷相结合,最终也会变成热。


C、实践证明,出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。目前,先进的材料生长与元件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能,然而由于LED芯片材料与周围介质相比,具有大得多的折射係数,致使芯片内部产生的极大部分光子(>90%)无法顺利地溢出介面,而在芯片与介质介面产生全反射,返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收,并以晶格振动的形式变成热,促使结温升高。

D、显然,LED光源元件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散热能力强时,结温下降,反之,散热能力差时结温将上升。由于环氧胶是低热导材料,因此P-N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去,大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层,PCB与热沉向下发散。显然,相关材料的导热能力将直接影响元件的热散失效率。一个普通型的LED,从P-N结区到环境温度的总热阻在300到600℃/w之间,对于一个具有良好结构的功率型LED元件,其总热阻约为15到30℃/w。巨大的热阻差异表明普通型LED元件只能在很小的输入功率条件下,才能正常地工作,而功率型元件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。

3、降低LED光源结温的途径有哪些?
A、减少LED本身的热阻;
B、良好的二次散热机构;
C、减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻;
D、控制额定输入功率;
E、降低环境温度

LED光源的输入功率是元件热效应的唯一来源,能量的一部分变成了辐射光能,其餘部分最终均变成了热,从而抬升了元件的温度。显然,减小LED温升效应的主要方法,一是设法提高元件的电光转换效率(又称外量子效率),使尽可能多的输入功率转变成光能,另一个重要的途径是设法提高元件的热散失能力,使结温产生的热,通过各种途径散发到周围环境中去。

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