LED封装的热学研究

LED照明灯具传热系统探究本文从LED灯具热设计原则、LED基板和散热器散热三个方面，探究LED 照明灯具热设计中对流传热和辐射传热。

标签：辐射，对流，热设计，热管理一、LED照明产品热设计的原则LED热设计涉及传热学、工程流体力学和人机工程学领域，其热能传递含热传导、热对流和热辐射三种途径。

对LED灯具进行熱管理，可以控制LED结温和散热器外表温度，也可以将散热器最优化，将灯具成本和整机性能取到一个平衡点。

进行热设计时，我们根据LED照明产品的结构特点，兼顾LED和驱动两部分，努力降低LED和驱动电子元器件的温度，同时要求散热设计简单、可靠。

二、LED照明灯具辐射和对流传热1.辐射传热简介辐射是电磁波传递能量的现象，按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率的电磁波，由于热的原因而产生的电磁波辐射成为热辐射（thermal radiation），热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的，只要物体的温度高于“绝对零度”（即0K），物体总是不断的把热能变为辐射能，向外发出热辐射。

同时物体亦不断地吸收周围物体投射到它表面上的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。

辐射传热就是物体之间相互辐射和吸收的总效果。

实际物体的辐射力可以表示成：其中：为实际物体的发射率，习惯上称黑度为黑体辐射系数，其值为5.67W/（m2*K4）T为实际物体的热力学温度，单位为K热辐射不需要其他介质存在，而且在真空中传递的效率最高。

当辐射能进入固体，在一个极短的距离就被吸收完了，对于金属导体，这一距离只有1μm的数量级，对于大多数非导电材料，这一距离亦小于1mm，对于灯具材料而言，可认为固体和液体不允许热辐射穿透。

2.常见物体发射率物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。

金属的发射率随表面温度上升而增大，随表面光洁度的升高而降低。

大部分非金属材料的发射率都很高，一般在0.85～0.95之间，且与表面状况（包括颜色在内）的关系不大，在缺乏资料时，可近似取作0.9。

当前大功率LED封装散热技术研究情况解析来源：LED照明论坛作者：浙江大学苏达王德苗摘要：如何提高大功率发光二极管(Li t Emitting Diode，简称LED)的散热能力，是LED器件封装和器件应用设计要解决的核心问题。

详细分析了国内外大功率LED散热封装技术的研究现状；总结了其发展趋势，并指出了减少内部热沉可能是今后的发展方向。

关键词：电力半导体器件；发光二极管；光电元件；散热；封装1 引言发光二极管(LED)诞生至今．已经实现了全彩化和高亮度化，并在蓝光LED和紫光LED的基础上开发了白光LED．它为人类照明史又带来了一次飞跃。

与自炽灯和荧光灯相比，LED以其体积小，全固态，长寿命，环保，省电等一系列优点，已广泛用于汽车照明、装饰照明、手机闪光灯、大中尺寸，即NB和LC D．TV等显示屏光源模块中。

已经成为2l世纪最具发展前景的高技术领域之一LED是一种注入电致发光器件．由Ⅲ～Ⅳ族化合物，如磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)等半导体制成在~I-DN电场作用下．电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将一部分能量转化为光能．即量子效应，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能量转化为热能。

目前，高亮度白光LED在实验室中已经达到1001m／W 的水平，501m／w 的大功率白光LED也已进入商业化，单个LED器件也从起初的几毫瓦一跃达到了1．5kW。

对大于1W 级的大功率LED而言，目前的电光转换效率约为15％，剩余的85％转化为热能．而芯片尺寸仅为1mm×1mm～2．5mm~2．5mm．意即芯片的功率密度很大与传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱中不包含红外部分．所以其热量不能依靠辐射释放。

因此，如何提高散热能力是大功率LED实现产业化亟待解决的关键技术难题之一l】1。

2 热效应对大功率LED的影响对于单个LED而言．如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出．则会导致芯片的温度升高．引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。

大功率LED热学特性研究（课题实验）发光二极管（Light Emitting Diode, LED）在过去十几年里有了飞速的发展，逐渐突破了仅能作为低功率指示灯光源的限制，被广泛应用于日常照明和显示等领域[1-2]。

LED是通过外电流注入的电子和空穴在耗尽层中复合，以辐射复合产生光子而发光，同时也会有部分复合能量传递给晶格原子或离子，发生非辐射跃迁，这部分能量转换成热能损耗在PN结内。

对于小功率LED来说这部分热量很小可以不作考虑。

然而，对于大功率照明用LED而言，其发热量大幅提高，直接影响到了LED的发光效率和器件的使用寿命，以及引起波长的漂移，造成颜色不纯等一系列问题。

因此，研究功率型LED的热学与发光特性不仅涉及半导体物理的基础问题，也是目前光电工程领域的开发热点[3-4]。

一、实验原理简介1. 脉冲法测量结温准确测量LED的结温是研究LED热学特性的基础。

LED灯的基本结构如图1所示，其芯片的核心结构是一个半导体的PN结，所谓LED的结温指的就是PN结的温度。

由于PN 结的尺寸很小，又被荧光材料和树脂胶包裹，无法直接测量其温度，因此常用间接法来测量结温。

本实验仪器采用一种较为新颖的脉冲法测量结温，该方法于2008年由美国NIST实验室提出[7]。

其核心思想是通过脉冲电流来限制结温TJ的上升，使之与器件表面可测量温度TB接近一致。

当给待测LED灯通入一个幅值为额定值的脉冲电流时，芯片在脉冲内正常发光并升温，但由于电流占空比很小，芯片温度会在一个较长的电流截止状态下降低到和表面温度一致。

从整体效果来看，只要脉冲占空比足够小，LED的芯片温度能维持和表面温度一致，如图2所示。

这样，只要借助温控仪就能在脉冲电流下定标出芯片两端的电压‒温度曲线。

由于在电流一定时，特定PN结的压降仅和结温有关，所以在有了LED的电压‒温度曲线后，只需测量正常工作时LED两端的电压就可以得到其实际的结温。

图1 功率型LED 基本结构示意图图2 （a ）LED 在不同占空比的脉冲电流下结温随时间的变化示意图；（b ）待测LED 灯珠在脉冲电流和稳流状态下点亮时，器件表面温度随时间的变化曲线。

功率led热学特性研究LED（LightEmittingDiode），即发光二极管，是当今技术发展的重要组成部分，从照明产品到显示器，LED用广泛。

由于具有良好的节能、长寿命、可靠性和安装外形的优点，LED术可以满足用户在不同技术环境中的多种需求，在很大程度上改变了日常生活。

但是，随着LED扩大应用，其功率会随之升高，因此，功率LED 热学特性的研究变得越来越重要。

功率LED工作时会产生很大的热量，这种热量通常被称为热衰减。

热衰减对LED的寿命、照明效率和性能有重要影响，必须继续研究和改进。

本文旨在介绍有关功率LED热学特性的知识，并分析功率LED的热衰减原因以及应采取的最佳措施。

研究发现，功率LED的热衰减主要由其结构和工作条件所决定。

LED结构上的改进主要集中在降低LED热阻以及引入热散热器的情况下，可以改善热衰减状况。

工作条件方面，可以通过调整LED的工作电流以及散热器的参数等来改善热衰减状况。

关于功率LED热衰减的最佳控制方法，一般来说，应尽可能选择低功率LED；并建议在LED和外部元件之间引入电镀铜箔或贴片方式的热散热器；同时应尽可能采用低工作功率，以减少LED的热损耗。

此外，针对功率LED的热衰减，有必要定期检查和维护LED的电源硬件以及工作环境中的热量。

在总结上述内容的基础上，可以得出结论：功率LED热学特性的研究是非常重要的，因为它会对LED的寿命、照明效率和性能产生重要影响。

LED结构和工作条件对热衰减有重要影响，应采取选择低功率LED、引入电镀铜箔或贴片方式的热散热器、采用低工作功率、定期检查LED的电源硬件以及工作环境中的热量的措施来优化热衰减状况。

综上所述，功率LED热学特性的研究是十分重要的，可以在大大提升LED的效率、使用寿命和性能方面发挥重要作用。

采取科学的控制方案，可以减少LED的热衰减，保证LED正常使用，更有利于改善生活质量。

LED可靠性及热学特性研究的开题报告题目：LED可靠性及热学特性研究研究背景：随着节能环保理念的不断深入人心，LED作为一种新兴照明技术，受到了广泛的关注。

LED具有寿命长、高效节能、稳定性好等优势，因此在照明、显示、通讯等领域得到了广泛的应用。

然而，LED可靠性和热学特性是制约其应用的关键问题。

因此，对LED可靠性和热学特性的研究具有重要的理论和实际意义。

研究目的：本研究旨在对LED的可靠性和热学特性进行系统的研究，探索其在实际应用中的应用价值。

研究内容：本研究将分为以下几个方面进行探究：1. LED的工作机制和发光原理，包括LED的结构、材料和制备工艺等方面的内容。

2. LED的可靠性分析，探究LED在实际应用中因为各种因素（如：工作环境、使用寿命、质量等）对其稳定性的影响。

3. LED的热学特性分析，重点研究LED的散热性能、温度分布等方面的内容，为LED的设计和制造提供基础的数据支持。

4. 基于LED的实际应用案例研究，探索其在照明、显示、通讯等领域的应用价值和前景。

研究方法：本研究将采用文献资料调研、实验测试、数值模拟等方法进行研究。

其中，文献资料调研主要是为了了解国内外研究进展和发展趋势；实验测试将针对LED的可靠性和热学特性进行测试，并分析其数据；数值模拟将采用有限元模拟等方法模拟LED的热学特性，为实验测试提供理论依据。

预期成果：1. LED可靠性和热学特性的分析报告。

2. LED的数值模拟及验证结果。

3. 一篇基于实际应用的LED研究论文。

4. 对LED可靠性和热学特性研究的探讨，为其实际应用提供基础理论和实验数据支持。

研究意义：本研究将对LED的可靠性和热学特性进行系统的研究和探讨，从理论和实际角度，为其应用提供科学支持和技术方案，推动LED技术的发展和应用。

LED 的电学、热学及光学特性研究2011-05-11 16:05:15 文章来源:明导国际我来说两句 (0••导读: LED 的发光性能不仅和其电学特性相关,还受其结温影响。

因此,通过实际测试和仿真工具来研究其散热性能及热管理方法在LED 的设计过程中十分重要。

本文对LED 的电学、热学及光学特性进行了协同研究。

在仿真方面,完成了一个板级系统的电-热仿真;在测试方面,讨论了一个热-光联合测试系统的应用。

o关键字o LED电学热学光学特性电-热仿真• 1. 简介众所周知,LED的有效光辐射(发光度和/或辐射通量严重受其结温影响(如图一所示,数据来源于Lumileds Luxeon DS25 的性能数据表。

单颗LED 封装通常被称为一级LED,而多颗LED 芯片装配在同一个金属基板上的LED 组件通常被称为二级LED。

当二级LED 对光的均匀性要求很高时,结温对LED 发光效率的影响这个问题将十分突出[1]。

文献[2]中提到,可以利用一级LED 的电、热、光协同模型来预测二级LED 的电学、热学及光学特性。

前提是需要对LED 的散热环境进行准确建模。

本文第 2 节中我将讨论怎样通过实测利用结构函数来获取LED 封装的热模型,并将简单描述一下我们用来进行测试的一种新型测试系统。

第 3 节中,首先我们回顾了电-热仿真工具的原理,然后将此原理扩展应用到板级的热仿真以帮助优化封装结构的简化热模型。

在文章的最后我们将介绍一个应用实例。

2. 建立LED 封装的简化热模型关于半导体封装元器件的简化热模型(CTMs的建立,学术界已经进行了超过10 年的讨论。

现在,对于建立封装元器件特别是IC封装的独立于边界条件的稳态简化热模型(CTMs,大家普遍认同DELPHI 近似处理方法[3][4][5]。

为了研究元器件的瞬态散热性能,我们需要对CTM 进行扩展,扩展后的模型称之为瞬态简化热模型(DCTMs。

欧盟通过PROFIT 项目[7]制定了建立元器件DCTM 的方法,并且同时扩展了热仿真工具[6]的功能以便能够对DCTM 模型进行仿真计算。