LED結溫產生的原因及對策

1、什麼是LED的結溫?
LED的基本結構是一個半導體的P—N結。實驗指出,當電流流過LED元件時,P—N結的溫度將上升,嚴格意義上說,就把P—N結區的溫度定義為LED的結溫。通常由於元件晶片均具有很小的尺寸,因此我們也可把LED晶片的溫度視之為結溫。

2、產生LED結溫的原因有哪些?
在LED工作時,可存在以下五種情況促使結溫不同程度的上升:
a、元件不良的電極結構,視窗層襯底或結區的材料以及導電銀膠等均存在一定的電阻值,這些電阻相互壘加,構成LED元件的串聯電阻。當電流流過P—N結時,同時也會流過這些電阻,從而產生焦耳熱,引致晶片溫度或結溫的升高。
b、由於P—N結不可能極端完美,元件的注人效率不會達到100%,也即是說,在LED工作時除P區向N區注入電荷(空穴)外,N區也會向P區注人電荷(電子),一般情況下,後一類的電荷注人不會產生光電效應,而以發熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷,也不會全部變成光,有一部分與結區的雜質或缺陷相結合,最終也會變成熱。
c、實踐證明,出光效率的限制是導致LED結溫升高的主要原因。目前,先進的材料生長與元件製造工藝已能使LED極大多數輸入電能轉換成光輻射能,然而由於LED晶片材料與周圍介質相比,具有大得多的折射係數,致使晶片內部產生的極大部分光子(>90%)無法順利地溢出介面,而在晶片與介質介面產生全反射,返回晶片內部並通過多次內部反射最終被晶片材料或襯底吸收,並以晶格振動的形式變成熱,促使結溫升高。
d、顯然,LED元件的熱散失能力是決定結溫高低的又一個關鍵條件。散熱能力強時,結溫下降,反之,散熱能力差時結溫將上升。由於環氧膠是低熱導材料,因此P—N結處產生的熱量很難通過透明環氧向上散發到環境中去,大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環氧粘接層,PCB與熱沉向下發散。顯然,相關材料的導熱能力將直接影響元件的熱散失效率。一個普通型的LED,從P—N結區到環境溫度的總熱阻在300到600℃/w之間,對於一個具有良好結構的功率型LED元件,其總熱阻約為15到30℃/w。巨大的熱阻差異表明普通型LED元件只能在很小的輸入功率條件下,才能正常地工作,而功率型元件的耗散功率可大到瓦級甚至更高。

3、降低LED結溫的途徑有哪些?
a、減少LED本身的熱阻;
b、良好的二次散熱機構;
c、減少LED與二次散熱機構安裝介面之間的熱阻;
d、控制額定輸入功率;
e、降低環境溫度

LED的輸入功率是元件熱效應的唯一來源,能量的一部分變成了輻射光能,其餘部分最終均變成了熱,從而抬升了元件的溫度。顯然,減小LED溫升效應的主要方法,一是設法提高元件的電光轉換效率(又稱外量子效率),使盡可能多的輸入功率轉變成光能,另一個重要的途徑是設法提高元件的熱散失能力,使結溫產生的熱,通過各種途徑散發到周圍環境中去。

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