简介LED结温原因及LED半导体照明光源散热方式

 

 

大功率LED照明设备的使用日益增多，大功率LED发光亮度其实与其电流呈正比关系，同时大功率LED正向电流随温度变化。介绍LED结温的原因以及LED半导体照明光源的散热方式。

 

 1、前言

 

在过去数十年的发展中LED发光效率不断提高，而成本却不断降低，色彩变得更加丰富。这使得大功率LED作为一种高效、节能、环保、安全的清洁光源在不久的将来大有取代其他照明光源趋势。然而，大功率LED灯的散热问题仍然是其在照明领域应用的一大发展瓶颈，是制约其成新一代照明光源的一个重要原因。

 

 

有研究数据表明，假设LED芯片结温为25℃时的发光为100%，那么结温上升至60℃时，其发光量就只有90%；当结温达到100℃时就会下降到80%；140℃就只有70%。可见改善散热控制结温对于提高其发光效率十分重要。大功率LED灯的散热问题若解决不好，必将使LED灯工作温度上升，结温升高，从而导致LED色度点偏移，显色指数下降，色温增加，发光效率下降，使用寿命缩短。

 

 

大功率LED的发光亮度实际上与它的电流成正比，如果控制住了大功率LED的输出光通量就等于控制住了它的发光亮度。而大功率LED的正向电流也会随着温度的改变而改变，当环境的温度超过一定值（我们称为安全温度）通过LED的正向电流会骤然减小，而在此时如果电流继续加大，则会造成LED寿命减少。

 

所以此时，必须采取相应的措施，在球泡灯的输入电流会随着周围的温度等因数发生变化的情况下，能及时的对大功率LED的正向电流进行调控。本实用新型通过温度补偿，依据环境温度对输出电流进行动态调整，并对LED温度进行实时监测，从而使大功率LED处于高温状态时电流自动降低，通过该方法使大功率LED灯具更加安全。

 

2、大功率LED照明产品现状

 

“芯片-铝基板-散热器三层结构模式”均被目前市场上大部分大功率LED照明灯具所采用，即先在铝基板封装芯片以形成LED光源模块，然后再在散热器上安装光源模块，这样就可以制造成大功率LED照明灯具。目前仍沿用LED早期用于显示灯和指示灯的方式作为大功率LED的热管理系统，这种热管理模式仅限于小功率LED使用。采用三层结构模式的方式制备出来的大功率LED照明，在系统构造方面仍存在许多不合理的地方，例如结构之间有很高的结温、比较低的散热效率、更多的接触热阻，以致使芯片所释放出来的热量不能有效地散出与导出，致使LED照明灯具光衰大、光效低、寿命短，不能满足照明需求。

 

 

由于受结构、成本和功耗等诸多因素的限制，大功率LED照明难以采用主动散热机制，而只能采用被动式散热机制，但被动式散热具有较大的局限性；而且目前LED的能量转换效率仍不高，约有70％的输入电能转换为热，即使光效再提高1倍也还有40％的能量转化为热，也就是说，很难提高到不用考虑散热的程度。

 

 3、LED照明光源的特性

 

与常规日光灯，白炽灯及卤素灯不同,LED半导体照明光源以半导体材料为基础，用PN结构组成，电子-空穴对经复合生成可见光，PN结正向导通，反向截止，其中N区对应负极，P区对应正极。LED半导体光源具有发光效率高，响应时间短，体积小，节能等优点。此外，它还具有传统照明光源所没有的特性：

 

1.具有类似于一般PN结半导体器件的特性：

（1）正向电流和正向电压均为负温度系数，随温度上升而减少；

 

（2）正向电压必须超过某一阈值才会产生电流；

 

（3）反向时，没有电流不会工作。

 

2.有很多方面制约着它的工作温度，具体如下：

（1）LED的亮度与正向电流呈现一定的曲线关系，当结温超过某一值后，亮度随正向电流的减小而减弱；

 

（2）必须把结温限制在额定值95℃～125℃以下；

 

（3）如表面含有塑料透镜，将会受到透镜材料熔点温度的限制。

 

 4、关于LED结温的介绍

 

1.LED结温产生的原因

LED发热很大一部分原因是因为所加入的电能并没有全部以光能的形式转化，其中有一部分被转成了热能。目前市面上的LED的光效约为100 lm/W，其电光转换效率还很低，大约只有20~30%左右。也就是说大约有70%的电能以热能的形式被浪费掉。

 

总的来讲，有两个因素导致了LED结温的产生。具体如下：

 

（1）内部量子效率。

空穴和电子复合时，并不能全部都产生光子，这种通常叫做“电流泄漏”，是使PN区载流子复合率降低的原因。泄漏的电压与电流的乘积就是这部分的耗散功率，也就是转化为热能，但这部分并不是主要的成分，因为就目前的技术已经能使LED的内部光子效率接近90%。

 

（2）大约只有30%的外部量子效率。

最主要的一个原因是由于载流子复合所产生的光子无法被全部发射到芯片外部而是转化为热量。虽然白炽灯只有15lm/W左右的光效，但是藉由最终它把电能以光能的形式辐射出去，尽管大部分的辐射能是红外线而导致光效很低，但这却免除了散热的问题。LED散热问题已经渐渐成为研究热点，其原因在于LED寿命或者光衰与其结温有直接关系，如果散热问题处理不当将直接造成结温易过高和寿命降低。

 

2.使LED结温降低的方法

①、控制额定输入功率；

 

②、设计良好的二次散热结构；

 

③、把二次散热结构与LED安装介面之间的热阻减少到最低；

 

④、降低周围环境温度；

 

⑤、减少LED自身的热阻。

 

5、LED半导体照明光源散热方式

 

一般说来，按照带走热量的方式散热器可以被分为被动散热和主动散热。所谓的被动散热，是指热源LED光源产生的热量通过散热片自然的被散发到空气中，其散热效果和散热片大小成正比，但是这种散热效果比较不理想，最常用在条件要求比较低的设备中，或者用于低功率、发热量小的器件散热，绝大多数采取主动散热，主动散热就是通过一些设备主动地将热量从散热片上带走，这些设备有风扇等等。较高的散热效率是主动散热的主要特点并且它本身有比较小的体积。

 

 

还有一种方式就是采行“垂直”电极来制造LED元件，因为LED元件的上端和下端均装有金属电极，这对散热问题能有较大帮助。以GaN基板为例，因GaN基板是导电材质而可将电极直接制作于基板下连接，可获得迅速散逸磊晶温度之好处，但是此种做法由于材料成本高昂，亦将比蓝宝石基板之传统做法成本贵很多，将提高元件之制作成本。