发布时间 : 星期六 文章led封装与热设计大学本科毕业论文更新完毕开始阅读84956efb70fe910ef12d2af90242a8956aecaa26
特性，只有在了解LED的特性时才能更好地设计出优良的散热方案。
二 LED封装
2.1 LED封装
LED发光的核心部分是P 型和N 型半导体构成的PN 结管芯,当注入PN 结的少数载流子与多数载流子复合时,就会发出可见光。但PN 结区发出的光子是非定向的,即向各个方向发射具有相同的几率, 因此, 并不是管芯产生的所有光都可以释放出来。光释放主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料等几个方面, 应用中要求提高LED 的内、外部量子效率, 提高光输出量, 封装技术是不可或缺的环节,封装内部结构与包封材料必须做到尽可能多的光输出。
LED 常采用环氧树脂和软性硅胶封装, 小功率LED多采用环氧树脂封装, 大功率LED 多采用软性硅胶封装。常规Φ 5mm 型LED 封装是将边长0. 25mm 的正方形管芯粘结或烧结在引线架上,管芯的正极通过球形接触点与金丝键合为内引线, 与一条管脚相连,负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连,然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光,向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状,有这样几种作用: ( 1 ) 保护管芯等不受外界侵蚀; ( 2 ) 采用不同的形状和材料(掺或不掺散色剂) ,起透镜或漫射透镜功能, 控制光的发散角; ( 3 ) 管芯折射率与空气折射率相关太大,致使管芯内部的全反射临界角很小,其由源层产生的光只有小部分被取出, 大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收,易发生全反射导致过多光损失,选用相应折射率的环氧树脂作过渡, 提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性、绝缘性、足够的机械强度、对管芯发出光的折射率和透射率高等性能。选择不同折射率的封装材料,封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的, 发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜,可使光集中到LED 的轴线方向,相应的视角较小; 如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型,其相应视角将增大。
目前LED主要有以下几种封装方式： 1、引脚式封装（Lamp LED）； 2、平面式封装（Flat LED）； 3、贴片式封装（SMD LED）； 4、食人鱼形LED封装；
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5、大功率型封装； 6、覆晶封装；
7、板上芯片封装（COB LED）； 8、 系统封装式（Sip LED）；
第二章小结：LED封装是LED生产的重要环节，封装的好坏将直接影响到LED的性能和寿命，其中封装也是LED热设计中的核心设计。关于封装，第四章将会以大功率LED封装为例子，分析LED封装及散热问题。
三 LED热设计基础
3.1 LED照明热的产生
LED发热的原因是所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化为热能。LED的光电转化效率大约只有20%~30%。也就是说，大约70%的电能转变成了热能。
3.2 LED结温及其对LED的影响
LED的基本结构是一个半导体PN结，实验指出，当电流流过LED元件时，PN结的温度将上升，严格意义上，把PN结的温度定义为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。
结温Tj是衡量LED封装散热性能的一个重要指标。结温的表达式为:
Tj=Rja×Pd+Ta
其中，Pd为耗散的功率，Rja为LED器件PN结与环境温度的总热阻，Tj，Ta分别为LED器件PN结的结点温度和器件周围的环境温度。式中表明，同样大小的功率下，芯片结温升温越小，LED器件的性能越好。
在LED工作时，可存在以下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，元件的注入效率不会达到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
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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，具有大得多的折射系数，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、LED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。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。
结温对LED的影响：
① 结温对光通量的影响：当结面温度由25℃上升到100℃时，其发光效率将会衰减20%~70%，其中又以黄光衰退75%最为严重。当LED结温升高时，器件输出光强将逐渐减小。一般情况下，光通量随结温的增加而减小的效应是可逆的，即当温度回复到初始温度时，光通量会有一个恢复性的增长。
② 高温下器件性能衰变：在高温下，LED的光输出特性除去会发生可恢复性的变化外，还将随时间产生一种不可恢复的永久性衰变。对于同一类型LED器件，在相同的工作电流时，结温越高，器件的输出光强衰减的越快。环境温度越高，结温就越高，器件性能的衰减速率就越快，当环境温度确定后，器件工作电流越大，结温也将越高，器件的性能的衰减速率就越快。
③ 结温对发光波长的影响：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，LED材料属III-IV族化合物，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。
降低LED结温的途径： A、减少LED本身的热阻； B、良好的二次散热机构；
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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的输入功率是元热效应的唯一来源，能量的一部分变成了辐射光能，其余部分最终都变成了热，从而使LED的温度上升。显然，减小LED温升效应的主要方法是：
① 设法提高元件的电光转换效率（又称外量子效率），尽可能多地将输入功率
转变成光能。
② 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。
3.3 LED热阻
3.3.1 热阻对LED的影响
在LED点亮后达到热量传导稳态时，芯片表面每耗散1W的功率，芯片pn结点的温度与连接的支架或铝基板的温度之间的温差就称为热阻Rth，单位为℃/W。数值越低，表示芯片中的热量传导到支架或铝基板上就越快。这有利于降低芯片中的pn结的温度，从而延长LED的寿命。
热阻是沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比，对于LED来说，热阻一般是指从LED芯片pn结到翅片上的热阻。
对于单个LED，设定PN结点生成的热沿着：结点—翅片—铝基散热电路板—空气，这个热路径传导。采用等效电路的热阻计算，PN结点到环境的总热阻:
Rja=Rjs+Rsb+Rba
其中，Rjs，Rsb，Rba分别是从结点到翅片，翅片到散热电路板，散热电路板到空气的热阻。热阻越小，表示相同的热耗散功率下，系统的散热性能越好，芯片结温与环境温度差越小。
影响热阻的大小与以下因素有关： （1）与LED芯片本身的结构与材料有关。
（2）与LED芯片粘结所用的材料的导热性能及粘结时的质量有关，是用导热性能很好的胶，还是用绝缘导热的胶，还是用金属直接连接。
（3）翅片是用导热很好的铜，或者铝，而且与铜、铝的散热面积大小也有直
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