第1章 LED热设计基础知识

1.1 热设计的术语及热传递的方式

1.1.1 热设计的术语

① 温升。温升指元器件的温度与环境温度的差值。如果忽略温度变化对空气中物体的非线性影响，可以将在一般环境温度下测量获得的温升直接加上最高可能的环境温度，获得在最高可能的环境温度下的元器件近似温度。例如测得某元器件温升为40℃，则在55℃最高环境温度下，该元器件的温度将为95℃。

② 热耗。热耗指元器件正常运行时产生的热量。热耗不等同于功耗，功耗指元器件的输入功率。一般电子元器件的效率比较低，大部分功率都转化为热量。计算元器件温升时，应根据其功耗和效率计算热耗。当仅知道大致功耗时，对于小功率设备，可认为热耗等于功耗；对于大功耗设备，可近似认为热耗为功耗的75%。其实，为给设计留一个余量，有时直接用功耗进行计算。

③ 热流密度。热流密度指单位面积上的传热量，单位为W/m。

④ 导热系数。导热系数是表征材料导热性能的参数，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量，单位为W/（m·K）或W/（m·℃）。

⑤ 对流换热系数。对流换热系数反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1℃时，在单位时间通过单位面积的热量，单位为W/（m·K）或W/（m·℃）。

⑥ 黑度。黑度为实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，在0～1之间。它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。表面粗糙，无光泽，黑度大，辐射散热能力强。

⑦ 热力学。热力学研究物质的热平衡状态，确定系统由一种平衡状态变为另一种平衡状态所需的总热量。

⑧ 传热学。传热学研究能量的传递速率，是热力学的扩展。传热问题必须基于热力学和传热学才能被解决。

⑨ 热对流。热对流指流体由质点发生相对位移而引起的热交换。自然对流质点位移是由于流体内部密度差引起的，使轻者浮，重者沉。

⑩热辐射。热辐射指由于热（温差）的原因而产生电磁波在空间传递。热辐射不仅是能量转移，也是伴随着能量形式的转移。辐射传热不需要任何介质做媒介，可以在真空中传播。

⑪ 结温。结温为：热阻×输入功率+环境温度。因此，如果提高结温的最大额定值，即使环境温度非常高，LED也能正常工作。例如，在白色LED中，有的LED芯片品种的可容许结温最高达到+185℃。结温可因LED的点亮方式而大为不同。例如，脉冲驱动（向LED输入断续电流驱动，间歇点亮）LED时，结温就不容易上升；而连续驱动（向LED输入稳定电流驱动，连续点亮）LED时，结温就容易上升。

半导体组件内部的温度在LED中是指芯片内发光层（PN结间设置多重量子阱构造的位置）的温度。LED芯片的发光层在点亮时，温度会上升。一般情况下，结温越高，发光效率就越低。LED随着输入电流的增加，尽管光通量会提高，但发热量会变大。由此会出现发光层的温度（结温）升高而使发光效率降低，功耗增加，从而使结温进一步上升的恶性循环。通过降低LED芯片封装及该封装安装底板的热阻，使芯片产生的热量得以散发，避免结温上升等改进措施，可以提高亮度。

LED芯片的发光层在发光过程中，温度会上升。一般情况下，如果被称为结温的发光层部分的温度上升，发光效率就会降低，即使输入电力也不亮。通过降低LED芯片封装和封装底板的热阻，散发芯片上产生的热量，设法使结温不上升，能够使发光更亮。如果使用提高了结温最大额定值的LED芯片，在安装使用时能够获得很多优点。例如，由于增加了输入电力，可提高输出功率。还可以缩小底板的散热片等。

⑫ 封装材料。将LED芯片安装到封装中时，为了将LED芯片发出的光提取到封装外部，封装的一部分或者大部分采用透明材料。透明材料使用的是环氧树脂和硅树脂，最近还在开发玻璃材料。环氧树脂用于作为指示器和小型液晶面板背照灯光源使用的、输出功率较小的LED，而硅树脂则用于输出功率较大的LED。

硅树脂与环氧树脂相比，可抑制材质劣化后光透射率的下降速度。用于照明器具和大尺寸液晶面板背光源等的高输出功率LED产品几乎全部采用基于硅树脂的封装技术。针对波长为400～450nm的光，环氧树脂吸收高达45%，而硅树脂还不到1%。硅树脂的劣化速度也相对缓慢。有LED厂商称，若采用环氧树脂，LED到达亮度减半时的寿命最多为1万小时；而采用硅树脂，亮度减半所需的时间延长到4万小时。顺便提一下，4万小时的组件寿命与照明产品的设计寿命相同，因此在照明产品的设计寿命期间无须更换白色LED。采用硅树脂作为封装材料，使用1万小时几乎不会发生劣化。

在大功率白色LED中，如果LED芯片的封装材料使用硅树脂，一方面，400nm左右的光的透射率比环氧树脂高，而且点亮1万小时后，亮度也几乎不会发生劣化。另外，由于环氧树脂吸收短波长的光，材质劣化导致透射率下降，因此亮度明显降低。

采用玻璃材料，其劣化抑制效果比硅树脂还要高。丰田合成等着手进行了研究，在陶瓷底板上设置金（Au）突起，在其上面安装蓝色LED芯片，然后利用混合了黄色荧光体的无机玻璃材料封装蓝色LED芯片整体。由于全部由无机材料构成，因此可靠性较高。

1. 热的单位

热是能量的形态之一，与动能、电能及位能等一样，也存在热能。热能的单位用“J”（焦耳）表示。电子设备若持续发热，热量连续不断流动时，用“每秒的热能量”来表示会更容易理解，单位为“J/s”。J/s也可用“W”（瓦特）表示。能量不会突然生成，也不会突然消失。它不是传递到其他物质，就是转换为其他形态的能量。例如，100J的能量可使100g水的温度升高约0.24℃。这并不是通过升高水的温度消耗了100J的能量，而是在水中作为热能保存了起来。能量无论在何处都一定会以某种形态保存起来。能量既不会凭空消失，也绝不会凭空产生。这就是最重要“能量守恒定律”。

比热容是单位质量物质的热容量。单位质量的某种物质温度升高1℃吸收的热量叫做这种物质的比热容，用“c”表示。比热容是一个复合单位，是由质量、温度、热量的单位组合而成的。在国际单位制中，比热容的单位是焦耳/千克摄氏度，读做焦每千克摄氏度。

2. 热阻

热阻（Thermal Resistance）是物体对热量传导的阻碍程度，热阻的单位为℃/W，即物体持续传热功率为1W时，导热路径两端的温差，即为该对象的热阻。热阻用R表示。热阻大表示热不容易传递，因此器件所产生的温度就相对高，由热阻可以判断及预测器件的发热状况。热阻越低，表示器件中的热量向外界传导越快。

影响LED热阻的因素很多，例如，从LED的芯片线路连接方式、结架到光学覆盖层的材料特性，都会影响LED的热阻，而降低LED的热阻是提升LED寿命的重要手段。

热阻用于评估LED封装的散热效能，是热传设计中一个相当重要的参数，正确了解其物理意义以及使用方式对于LED的热设计有很大的帮助。在热量传递过程中，温度差是热量传递过程的动力，好像电学中的电压，换热量是被传递的量；好像电学中的电流，可以用电学中的电阻概念来理解导热过程的热阻。在LED的资料中，一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是LED的PN结到壳的导热热阻；Rja是LED的PN结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻之和。这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以根据详细的LED内部结构计算得到。根据这些热阻参数和LED的热耗，就可以计算得到器件的结温。热路和电路参数对应见表1-1。

两个名义上相接触的固体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上，如图1-1所示，在未接触的界面之间的间隙中常充满了空气，热量将以导热和辐射的方式穿过该间隙层，与理想中真正完全接触相比，这种附加的热传递阻力称为接触热阻。降低接触热阻的方法主要是增加接触压力和增加界面材料（如硅脂）填充界面间的空气。在涉及热传导时，一定不能忽视接触热阻的影响，需要根据应用情况选择合适的导热界面材料，如导热脂、导热膜、导热垫等。

影响LED热阻的主要因素有：

①LED芯片结构与原物料也是影响LED热阻大小的因素之一，减少LED本身的热阻是先决条件。

② 不同导热系数的热衬材料，如铜、铝等对于LED热阻大小的影响也很大，因此选取合适的热衬材料也是降低LED组件热阻的方法之一。

③ 即使用相同的热衬材料，也和散热面积的大小有直接关系，二次散热设计好，面积大，也就相应地降低了热阻，这对LED的发光效率和寿命的延长有很大作用。

④LED芯片用导热胶还是与金属直接相连，包括导热胶和金属的不同种材料都会影响LED热阻的大小，要尽量减少LED与二次散热器之间的热阻。

⑤ LED组件的工作环境温度过高也会影响LED组件的热阻大小，应尽量降低环境温度。

选用一定的材料与控制额定输入功率等技术，是以提高LED发光效率和延长LED寿命为前提的，为此，在LED设计时必须考虑到以下几点：

① 降低芯片的热阻。

② 最佳化热通道。

● 热通道结构：长度（L）越短越好；面积（S）越大越好；环节越少越好；消除热通道上的热传导瓶颈。

● 热通道材料的导热系数λ越大越好。

● 改良封装工艺，令热通道环节间的接触更紧密可靠。

③ 强化电通道的导/散热功能。

④ 选用导/散热效能更高的出光材料。

3. 界面热阻

由于散热器底面与LED芯片表面之间会存在很多沟壑或空隙，其中都是空气，尽管散热器底面与LED芯片表面之间的间隙很小，但由于材料本身平整度问题还会存在80%微细气穴。由于空气的导热系数很小，仅仅只有0.03W/（m·K），有很大的界面热阻相当于一种绝热材料。由于空气是热的不良导体，增加了界面热阻，所以空气间隙会严重影响散热效率，使散热器的性能大打折扣，甚至无法发挥作用。为了减小芯片和散热器之间的空隙，增大接触面积，必须填充高导热系数的导热材料，排除空气，提高导热性能，以降低界面热阻。导热材料包括导热胶带、导热垫片、导热硅脂、导热黏合剂、相转变材料等。其中，又以导热垫性价比最高，操作最为方便。导热垫的导热系数是空气的导热系数的几十倍到近百倍，可以大幅提高导热性能、降低界面热阻；导热垫可以提高界面的平整度、减少微细气穴、增加有效接触面积。

Liqui-BondSA2000导热胶是一种高导热性而绝缘的硅胶黏合剂，它在低温或高温的情况下都能保持良好的机械性能和化学性能。这种物质的韧性有助于在热传导中减低CTE压力，同时由于该产品在升温过程中产生固化，导热系数为2.0W/（m·K）。

DM6030HK-SD高导热银胶是一种高导热掺银有机黏合剂，是专门为大功率LED黏合固定芯片应用而开发设计的新产品。该产品对分配和黏合大量部件时具有较长时间的防挥发、干涸能力，并可防止树脂在加工前飞溅溢出，导热系数高达50W/（m·K）。

4. JEDEC芯片封装的热阻和热性能参数

（1）热阻参数

JEDEC芯片封装的热阻参数如下。

Rja为结（芯片）到空气环境的热阻：

Rjc为结（芯片）到封装外壳的热阻：

Rjb为结（芯片）到PCB的热阻：

（2）热性能参数

ψjt为结到封装顶部的热参数：

ψjb为结到封装底部的热参数：

式中：Tj为芯片结温，单位为℃；Ta为空气环境温度，单位为℃；Tb为芯片根部PCB表面温度，单位为℃。

Rja是封装的品质度量（Figure of Merit）。Rja是芯片封装的热性能品质参数（用于性能好坏等级的比较），不能应用于实际测试/分析中的结温预计分析。

从20世纪90年代起，相对于Rja，更需要对实际预计芯片温度有价值的热参数。为适应此要求出现了三个新参数：Rjb、ψjt和ψjb。

ψjb可适当地运用于热分析中的结温分析，ψj t可适当地运用于实际产品热测试中的结温预计。Rjc是结到封装表面离结最近点的热阻值。在Rjc测量中，设法使热流“全部”由封装外壳通过。

ψjt与Rjc完全不同，并非是器件的热阻值，只是个数学构造物，只是结到TOP的热特征参数，因为不是所有热量都是通过封装顶部散出的。在实际应用中，ψj t对于由芯片封装上表面测试温度来估计结温具有有限的参考价值。

Rjb用来比较装于板上表面安装芯片封装热性能的品质参数（Figure of Merit），针对的是2s2pPCB，不适用板上有不均匀热流的芯片封装。Rjb与ψjb有本质区别，Rjb ＞ψjb。与ψjt同理，ψjb为结到PCB的热特征参数。