1、LED熱學與光學課程論文LED熱學與光學設計論文論文題目：LED熱學與光學性能機理研究綜述學生姓名： 黨俊寧 學 號： 2016022425 院 系： 光電子材料與技術研究所 專 業： 光學工程 授課老師： 章勇教授時間：2017年 1月 8日10目錄1引言42.LED熱學性能相關影響42.1LED熱學特性描述42.2封裝結構對LED散熱的影響42.3對流條件對LED散熱的影響63.LED光學性能相關影響73.1LED光學特性描述73.2結溫對LED發光性能的影響73.2.1結溫與峰值波長的關系73.2.2結溫與色溫的關系73.2.3結溫與光通量的關系83.2.4結溫與顯色指數的關系84結論9

2、LED熱學與光學性能機理研究綜述摘要：對LED熱學和光學相關性能的描述，總結出了影響LED熱學性能與封裝結構和對流條件的關系以及結溫通過間接的對峰值波長、顯色指數、色溫、光通量的響應，從而對LED的發光性能的影響，表明白光LED的峰值波長、顯色指數、色溫、光通量均與結溫成一定的線性關系。關鍵詞：LED熱學特性光學性能結溫1引言LED作為一種新型冷光源固體材料，已經很廣泛的應用在信號燈、字母數字顯示器、駕駛汽車、汽車背景光和其他領域。作為發光器件，近幾年來白光LED被提出，并且受到廣泛的關注?！?】隨著電子技術飛速發展，發光二極管(LED)獲得突破性進展，使這種由電能轉換成光的半導體器件進入照明

3、領域，由于它豐富多樣的顏色光，方便選色和變色的優勢，適合應用于普通照明、交通信號、航標、廣告、庭園及建筑物景觀照明等需要多種顏色的場所。為了適應各種LED照明燈具的安全要求，相關檢測技術標準及技術規范也迅速發展，最近新頒布的國際標準、國家標準及行業或地方標準數量也較多，且還有一部分LED照明產品國內外標準也正在制定和完善中?！?】固態照明被認為是21世紀最具發展前景的照明光源之一，由于發光二級管 (LED) 體積小、壽命長、節能環保、發光 效率高、色度純、可靠性高等優點，已經廣泛進入信號指示、交通以及航空工具照明、大屏幕顯示等重要領域當中，并將在室內外日常照明中扮演重要的角色【3】。2LED熱

4、學性能相關影響21 LED熱學特性描述半導體器件工作時芯片的最高溫度，LED的結溫即為p n 結區的溫度。導熱過程的阻力，取決于器件各組成部分的熱傳導率，橫截面積及厚度，計算式為溫度差與沿熱流通道上耗散的熱功率之比。對于LED，熱源是指LED的pn結，因此LED的熱阻可以表示為Rjx=Ti-TxPjx=Ti-TxVf×If-P1【4】式中: Rjx為LED的pn結至參考位置的熱阻；Ti為pn結的溫度；Tx為參考點的溫度；Pi為熱耗散功率，其值為總的耗散功率（Vf×If，即為LED正向電流與正向電壓的乘積）與光功率（P1）的差值。對于不同類型、制作工藝及功率的LED器件，電光

5、轉換效率相差較大，因此在計算LED熱阻時所需考慮光功率的影響。2.2 封裝結構對LED散熱的影響目前，LED有三種典型的封裝結構：1） 基于金屬線路板的封裝結構，該封裝結構是將器件直接組裝在金屬線路板上，形成功率密度LED，金屬線路板是采用鋁或銅金屬作為電路板底材，可作為散熱熱沉使用，在基板上覆一層幾毫米厚的銅箔作線路，由于鋁本身為導體，鋁基板與銅箔之間必須采用一介質作絕緣，由于低熱導率介質絕緣層的存在使得金屬線路板熱導率有效值約為178W/m·K，模擬結構圖如圖1（a）所示。2） 傳統的正裝結構，如Norlux系列，該結構以鋁板作為底座，發光區位于其中心部位，鋁板同時作為熱沉，模擬

6、結構如圖1（b）所示。3） 倒裝結構，如LUXEON系列，結構將芯片倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點的硅基座上，然后把完成倒裝焊接的硅基座裝入熱沉與管殼中，鍵合引線封裝，模擬結構圖如圖1（c）所示。【5】SMN為器件中的最低溫度值，SMX為器件中的最高溫度值，用灰度變化來表示溫度變化。為了能夠看清結溫區，圖中只給出了芯片附近溫度分布情況，如圖2所示，3個圖的溫度最高點都出現在芯片即有源區。圖2（a）結構是將芯片器件直接封裝在金屬線路板上，達到減少封裝內部熱沉數量，從而改善大功率LED封裝散熱性能。本文主要考慮芯片粘結材料金屬線路板這一熱傳導路徑，跟其他兩個結構比起來，該結構熱沉最少、傳熱最快、結

7、溫最低，結溫為355.58K，熱阻為67.75K/W，該結構所用金屬線路板的熱導率（178W/m·K）比其他兩種結構Al基板的小的多（230W/m·K）。可見，減少熱沉的個數可以有效地加快LED散熱，降低結溫?！?】圖2（b）結構以鋁板作為底座，發光區位于其中心部位，鋁板同時作為熱沉。本文考慮的傳熱路徑為芯片襯底粘結材料基板，比結構（a）多了一層熱阻 ( 即藍寶石襯底) ，模擬出來的結溫為357.32K，比結構（a）高了1.74K，在所研究的3種封裝結構中結構（b）傳熱最慢，結溫最高，熱阻為69.78K/W。圖2（c）倒裝結構中，為了使熱量不必經熱導率低的芯片襯底藍寶石，2

8、001年，Lumileds公司研制的AlGaInN功率型倒裝芯片結構，該結構芯片倒裝連接在硅基座上，熱量可以直接傳向熱導率高的硅基座，再傳向基板和散熱器，即通過降低內部熱沉熱阻提高大功率LED的封裝散熱性能。由于芯片和硅基座通過凸點連接，所以模擬該結構時的傳熱路徑為芯片焊料硅基座粘結材料基板，雖然比結構（b）多一層熱阻，即芯片和Si基座之間的焊料產生的熱阻，但是倒裝結構的結溫比正裝結構更低，倒裝結構的結溫為356.91K，比正裝結構（b）低0.41K，熱阻為69.31K/W。在無法減少熱沉個數的情況下，倒裝結構的總熱阻更小，同時與傳統的正裝結構相比，采用倒裝結構，LED的光提取效率更高【7】。

9、由上可知，優化封裝結構可以有效地提高LED散熱性能，途徑最佳的是減少熱沉數量，次之降低熱沉熱阻，即提高熱沉材料的熱導率，只是通過優化結構降低結溫的幅度不是很大，僅幾個K的效果。綜上可知，基于金屬線路板封裝結構（結溫355.58K）<倒裝結構（結溫356.91K）正裝結構（結溫357.32K）?！?】2.3對流條件對LED散熱的影響常見對流散熱方式有自然對流和強制對流兩種，對于小功率器件依靠其自身封裝結構進行自然對流散熱一般可以滿足散熱要求，比如可以直接以金屬線路板作為熱沉向環境散熱，或者選擇熱導率較高，成本相對較低的金屬鋁作為LED的散熱基板，值得注意的是，金屬線路板和鋁基板的面積和厚度

10、不是越大越好【8】。針對大功率器件、多芯片集成封裝的LED模組時，自然對流不能滿足要求，需要設計各種散熱器來加速流體流動，實現強制對流，如鋁散熱鰭片、風扇等，散熱器的形狀和尺寸直接影響強制對流的強度，本文以倒裝結構為例，用不同空氣對流系數來近似代替不同散熱器的作用效果，系統地分析不同的對流系數對LED結溫的影響，其他條件與前面一致，結果如圖3所示，橫坐標為基板底面的對流系數，從15W/（m2·K），步長位5W/（m2·K），空氣流體強制對流熱系數范圍為20-100W/（m2·K），縱坐標為LED的結溫。由圖3可知，強制對流在一定的速度范圍內能改善LED的散熱效果。

11、當對流系數從自然對流15W/（m2·K）增加為強制對流的20W/（m2·K），結溫為345.5K，驟降11.4K，效果很好。然而，隨著對流系數的逐步增加，結溫降低的速度慢慢減緩，當對流系數達到某一個值( 如100W/（m2·K）)時，結溫趨于一穩定值，為313.0K。由此可以看出，當熱量從器件內部靠熱傳導傳到器件表面時，要是能把傳導出來的熱量盡快散走，則可加速器件散熱、降低結溫【9】。所以空氣本身傳熱性能很差，而強制對流是強制空氣流動，通過冷熱空氣交換散走熱量，空氣流動越快，散熱效果越好【10】。結溫/K對流系數/W·（m2·K）-1圖3LED

12、結溫與對流系數的關系曲線圖3.LED光學性能相關影響3.1LED光學特性描述LED是結型發光器件,在直接帶隙半導體所制成的PN結上加以正偏壓,用注入式電致發光方法即可成為LED?！?1】LED的特點為其光子是以自發輻射方式產生的,不同半導體材料可制成不同顏色的LED,同時,LED的芯片、外形結構、封裝技術等也是影響LED的各種光學特性的原因.其中,發光光強的角分布、峰值波長及其光譜分布、溫度對LED光譜的變化的影響是本實驗主要探究的問題【12】。32結溫對LED發光性能的影響3.21結溫與峰值波長的關系以藍光LED芯片為激發源，激發熒光粉發出峰值為560-580nm的黃綠色光與芯片自身發出的藍

13、光組成白光是獲得白光LED的方法之一。光譜儀所測得的峰值波長還是芯片發出的藍光的峰值波長，有源區的禁帶寬度所決定。當芯片的溫度升高時，由有源區的禁帶寬度變窄，峰值波長紅移【13】。圖4為LED樣品的光譜曲線，圖中左邊部分為芯片直接發射的藍光其峰值波長約為550nm，圖5為不同結溫下白光LED的峰值波長，在結溫從室溫上升到125。C的過程中，該樣品的峰值波長由445.5nm增加到446.8nm。通過線性擬合，由圖5可知由結溫升高引起的波長漂移的平均溫度系數為0.0156nm/。C，這一結果與文獻【14】報道的熱效應引起的峰值波長的平均溫度系數0.02857nm/K和0.03929nm/K相接近，

14、數值不同是由于所用的芯片來自于不同的廠家，其有源區多量子阱結構不同。圖4 不同結溫下白光LED的光譜圖5 不同結溫下白光LED的峰值波長3.22結溫與色溫的關系圖6為LED樣品結溫與色溫的關系，隨著結溫的升高，LED的色溫逐漸增大，且與結溫呈現出線性關系。當積分球底座的溫度從20。C調節到70。C時，結溫從38.11。C變到了97.28。C，色溫從8448K升高到9198K。通過線性擬合，得到LED色溫隨結溫的變化系數約為7.664K/。C。LED色溫隨著結溫的升高而升高，是因為結溫升高了，光源發出光的顏色發生了變化，藍色綠光的組分增多或者說黃光的組分減少【15】。溫度升高則峰值波長紅移，藍光

15、的輻射通量降低，黃光的輻射通量也會降低； 同時溫度升高會影響熒光粉的性能，導致黃光的輻射通量進一步降低【16】。圖6 不同結溫下白光LED的色溫3.23結溫與光通量的關系光通量是表征電光源質量高低的一個重要指標。假設某輻射體發出的光線是波長為i的單色光，該輻射體單位時間內所輻射的能量就是輻射通量Fi，該能量中能為人眼所感覺的那部分稱為光通量i，它表示單位時間流出光能的大小，單位是lm。光通量是人的眼睛對輻射通量的反應程度的物理量【17】。國際照明委員會（CIE）根據對許多人的大量觀察結果，用平均值法確定了人眼對各種波長的平均相對靈敏度，稱為人眼的視見函數。我們把單色輻射通量Fi與視見函數（i）

16、之積稱為波長i的單色光通量i，i=Fi（i）把所有的單色光通量加起來就是光通量：=。e（）（）d其中，e（）為光譜輻射能通量，也稱為輻射功率；（）為人眼的視見函數?！?8】圖7為LED結溫與光通量的關系。隨著結溫的上升，LED的光通量由47.861lm減少到45.842lm,且與結溫呈現出線性關系。通過線性擬合，得到LED光通量隨結溫的變化系數約-0.0325lm/。C。由圖7可以看出，隨著點亮時間的增加，結溫上升，但光通量在結溫上升的過程中增大，表明LED的峰值波長紅移，使得藍光部分的輻射通量與視見函數的積分變大，而黃光部分的輻射通量與視見函數的積分變小，藍光部分的輻射通量與視見函數的積分變

17、大的量小于黃光部分的輻射通量與視見函數的積分變小的量，所以白光的光通量隨溫度的升高而變小。 圖7 不同結溫下白光LED的光通量3.24結溫與顯色指數的關系顯色性是光源的重要指標【19】。太陽光的顯色指數(Ra)， 定義為100。顯色指數大于80的光源就可以認為是較好質量的白光，適用于對顯色性要求較高的室內照明；而大于95則可應用于視覺要求高的場合【20】。圖8為LED結溫與顯色指數的關系。隨著結溫的上升，LED的顯色指數逐漸增大，且與結溫呈現出線性關系。通過線性擬合，得到LED顯色指數隨結溫的變化系數約為0.022/。C。顯色指數隨結溫的上升而增大的原因與色溫相同，均由于光的顏色中藍光所占的比

18、例增大，黃光所占的比例減小。圖8不同結溫下白光LED的顯色指數4結論LED的光學與熱學性能是它的兩個重要參數，通過金屬線路板的封裝結構減少熱沉的個數可以有效地加快LED散熱，降低結溫。發現對流系數越大，結溫越小。對LED的光學特性與結溫的關系進行測量，發現結溫升高，白光LED的峰值波長、色溫、顯色指數均增大，且呈一定的線性關系。結溫升高，白光LED的光通量降低，同樣呈現出一定的線性關系。參考文獻【1】Wang M, Tao H, Sun Z, et al. The development and performance of the high-power LED radiator J. Int

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