LED结温、热阻构成及其影响

摘要：led PN结温上升会引起 LED光学、电学和热学性能的变化，甚至过高的结温还会导致封装材料（例如环氧树脂）、荧光粉物理性能变坏，LED发光衰变直至失效，因此分析LED结温、热阻构成，如何降低PN结温升，是应用LED的重要关键所在。

关键词：发光二极管；结温；热阻

中图分类号：TN312+.8文献标识码：B

LED Junction Temperature, a Thermal resistance and its impact

WANG Qiao-li，XIA Zhi-qing,WEN Jing

( Shenzhen SANSUN Hi-tech Co.,Ltd.,ShenZhen 518057,China)

Abstract: LED PN junction temperature increases will cause LED optical, electrical and thermal properties of the changes, or even excessive junction temperature can lead to packaging materials (such as epoxy resin) , phosphordeterioration of physical properties, LED luminescence decay until Failure , The analysis of LED junction temperature, a heat resistance, how to reduce the PN junction temperature rise, LED application is an important key.

Keywords:LED; junction temperature; thermal resistance

对于一个LED发光管来讲，在确定的环境温度下，当热阻较小时，光通量几乎与正向电流成正比增加。当热阻较大时，由于PN结温度上升，在正向电流加大到某值时，光通量将趋于饱和，随后逐渐下降。因此设法降低PN结温和LED的热阻是提高LED光效最直接的途径之一。本文就此论述LED本身的结温、热阻构成及其影响。

1LED结温产生的原因

LED结温是指P-N结区的温度，通常被理解成LED芯片的温度。其形成是由于LED空穴、电子运动，一部分能量产生有效的光电效应，发出光子；另一部分是以发热的形式消耗掉了，从而导致PN结区芯片发热。对于一个封装好的LED发光管来讲，产生结温有两个原因，其一为出光效率低，说明大多数电能转换成热能，产生了结温，其二为LED封装的散热能力。散热能力是产生结温高低的关键条件，散热能力强，结温下降，反之散热能力差时结温将上升，其结果将会导致出光效率更低，更进一步推动结温的上升。说明在相同的环境，热阻小 （即散热能力强），光通量几乎与正电流成正比例增加。

2LED热阻的构成

LED热阻描述为LED散热通道上的两个节点之间热功率流的阻值，热阻单位为℃/W，通常用Rθ表示，其数学表达式为:Rθ=T／PD，其中T为温度差，PD为两个节点的热功率流。从公式中得知，T与Rθ成正比例关系。热阻越大，温差大，散热能力越差（当LED热功率流不变时）。

通常LED器件在应用中，结构热阻分布为芯片衬底、衬底与LED支架的粘结层、LED支架、LED器件外挂散热体及自由空间的热阻，热阻通道成串联关系，用数学公式表述为Rθ=Rθs＋Rθz＋Rθj＋Rθw＋Rθf。

其中Rθ是LED器件的总热阻，Rθs为衬底的热阻，Rθz为粘结层热阻，Rθj为支架热阻，Rθw为外挂散热体热阻，Rθf为自由空间热阻。

从封装器件本身来讲，热阻主要来源为衬底Rθs和衬底到支架的粘合层Rθz，以及支架热阻Rθj，在LED器件应用中则重点考虑，外挂散热体热阻Rθw和自由空间热交换热阻Rθf。

因此分两步来计算出热阻Rθ。假定芯片衬底是一个200μm的正方形，银胶的厚度为100μm。已知银胶的导热系数为20W／m・k，则粘接层的热阻Rθz=h／ρ银胶・s=0.1÷(20×0.001×0.2×0.2)=125℃/W。若LED衬底是GaAs,则导热系数为18W／m×k，求得其热阻Rθs=138℃/W。

铁支架到空气的热阻可求得为4.2℃/W ,则LED封装器件总热阻为138+125+4.2=267.2℃/W，若LED使用的环境温度为65℃，它最大能承受的电功率0.2W，因此有必要选用高导热系数材料作衬底和高导热系数粘结材料作粘结层，如选用硅衬底和AuSn或铅锡PbSn等合金材料取代银胶作粘结层，将大大提高LED芯片承受的电功率能力。

从应用LED器件考虑，外挂散热体和自由空间的热对流交换，则根据电功率和散热体匹配进行合理的结构设计。合理的结构将降低LED结温，改善LED发光效果。

根据表1、2得知，由于环氧胶是低热导材料，因此PN结处产生的热量很难通过透明环氧向空气中散热，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层、PCB与外挂散热体向外发散。显然相关材料的导热能力将直接影响LED器件的散热性能。

3LED结温对光电性能的影响

3.1LED结温在高于正常能承受的温度125℃时，产生不可恢复的永久性的衰变

通常有三种原因促使高温下LED输出性能的永久性衰减。其一，由于各外延层之间存在着或多或少的晶格失配，从而在界面上形成大量的诸如位错等结构缺陷。在较高温度时，这些缺陷会快速增殖、繁衍，直至侵入发光区，形成大量的非辐射复合中心，严重降低器件的注入效率与发光效率；其二，在高温条件下，材料内的微缺陷及来自界面与电极的快速扩散杂质也会引入发光区，形成大量的深能级，同样会加速LED器件性能的衰变；其三，高温时，LED封装环氧胶的变性、发黄，出光效率下降衰减。通常，LED用的封装环氧胶存在着一个重要特性，即当环氧胶温度超过一个特定温度Tg=125℃时，封装环氧的特性将从一种钢性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状的物质。此时材料的膨胀系数急剧增加，形成一个明显的拐点，这个拐点所对应的温变即为环氧树脂的玻璃状转化温度，其值通常为125℃。当器件在此温度附近或高于此温度变化时，将发生明显的膨胀或收缩，致使芯片电极与引线受到额外的应力而发生过度疲劳乃至脱落损坏，造成LED永久性损坏。显然工作温度越高，这种过程将越快。

3.2 当结温上升时，LED的发光波长变长，颜色发生红移，显示效果发生偏色

LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长二类，前者表示光强最大的波长，而主波长可由X、Y色度坐标决定，反映了人眼可感知的颜色。显然，结温所引起的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受。对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。InGaAlP与InGaN材料属Ⅲ-V族化合物半导体，它们的性质与GaAs相仿，当温度升高时，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，颜色发生红移。通常可将波长随结温的变化表示如下：

λ(T2)= λ(T1)+TK(nm／℃)

其中：λ(T2)――结温T2时的波长

λ(T1)――结温T1时的波长

3.3当LED结温上升时，LED正向电压值Vf值下降

LED在If为常量时，LED PN结上的正向电压Vf具有负温度系数特性，即随着PN结温上升，Vf成线性下降关系。但在高温情况下，由于结区缺陷和杂质的大量增殖与集聚，将造成额外复合电流的增加，而使正向电压下降，甚至出现恶性循环。通常，恒流是LED工作的较好的模式，如果在恒压条件下，由于温升效应使正向电压下降、正向电流增加，并形成恶性循环，最终导致器件损坏。

3.4LED结温上升，发光效能随之变差

在3.省略。

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