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      • UVLED封装研究——散热机制
      • 发表时间:2014-08-26
      • 热量是LED器件的最大威胁之一,不仅会影响LED器件的电气性能,最终还可能导致LED器件的失效。因此,如何让LED器件保持长时间持续可靠的工作是目前大功率LED器件封装的关键技术。

        对于如何提高UV-LED器件的可靠性,我们首先必须了解LED的热产生机理和封装热阻的计算方法,继而从提高发光效率和增强器件散热方面来考虑封装结构的设计和封装材料的选择问题。

        LED热产生机理

        LED的发光原理可知,LED具有PN结,其在外加能量作用下,电子和空穴的将会复合,而产生光和热。其中,辐射复合将外加能量的10~15% 转化为光能,而非辐射复合发生的点阵振动将其余85~90% 的能量转化为热能。因此,LED 在工作期间产生热量的多少取决于量子效率,量子效率越高,光电转换效率越高,产生的热量也就越少。

        LED芯片的工作时产生的热量不能及时散出,就会导致芯片的结温急剧上升。随着结温升高,LED芯片的正向压降下降,光色往红波长偏移,发光效率降低,还可能由于产生热应力,影响LED的发光效率和可靠性。对于小功率UV-LED发光功率小,热量也不大,散热问题显得无关紧要,而对于大功率UV-LED封装,为提高光强,一般需采用阵列模块方式。由于发光芯片的高密度集成,散热基板上的温度很高,因此必须采用热导率高的基板材料和合适的封装工艺,以降低封装热阻,在极小的LED封装结构中管理极高的热量。

         

        LED的封装热阻

        UV-LEDP-N结到环境的热阻可依下式计算,

         

        其中:TJunction是结温,TAmbient是环境温度,P =VF*IFLED器件的耗散功率,VFLED 正常工作时的正向压降,I F为相应的正向电流。

         

        1单颗LED热阻网络图

        首先,热量由LED芯片的P-N结面散出,在整个LED 器件中,该点的温度最高,我们称它为结点温度TJ(简称结温)。结温是评价LED 的发光性能和寿命的重要指标,它在LED的热管理中具有重要的意义。接着,热量经由芯片内部结构传递到芯片表面,这部分热阻是θdie,而LED透光一端所用的硅胶导热率很低,芯片表面的热量则会通过导热界面材料往芯片下方的银导热块和陶瓷基板传递,其热阻为θTIM,再由陶瓷基板经银导热块传至散热片,这部分的热阻为基板热阻θboard,其值与散热片和陶瓷基板间的接触面以及基板自身的导热能力有关。

         

        2 UV-LED 阵列封装结构图

        2所示是阵列LED的封装结构示意图,假定在热沉上总共阵列了LED,则整体热阻网络图3所示。其中:θ i由图1所示的热阻网络图决定的单颗LED热阻,Pi为第iLED的耗散功率,T Ji为第iLED的结温,T a是环境温度,θ0是热沉的热阻。

         

        阵列结构的热阻网络图

         

        对于阵列颗的LED 封装热阻,总热阻表达式如下

         

        对于同一芯片厂家提供的芯片,可以忽略各芯片之间的微小差异,则θi、θi均相等,所以总热阻可以表示为:

         

        因此可知,当阵列的LED 数目增加,总热阻反而减小。

        LED 芯片的结温T J,由热阻的计算公式可以得到结温的表达式:TJ= P*θtotal+TA,即热阻越小,在同样大小T A和耗散功率P下,芯片结温升高的越小,或者说达到同样高的结温,热阻小的LED 器件可以消耗更大的功率,其性能也就越好。

        对于集成度高的LED 光源固化系统,如何实现低的封装热阻,使LED 的热量能够有效地散发到外界环境中,并保持较低的封装成本,这是目前大功率LED 封装亟需解决的重要问题。因此,降低LED 芯片结温主要是通过降低LED 的封装热阻,然而LED的热阻主要与下列因素有关:

        1. 芯片自身原因,因为热阻与LED 芯片本身的结构和材料有关;

        2. LED 芯片粘接所用材料的导热性能及粘接时的质量有关,使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,在实际封装工艺中要通过实验分析才能确定较好的方案。

        3. 与热沉和基板的材料有关,热沉和基板一般采用导热很好的铜或铝。而且热阻还与铜、铝散热面积大小也有直接的关系,散热面积越大,热阻越小,反之则热阻越大。

        为了从根本上解决热量耗散的问题,不仅要选取导热好的粘接材料和热沉,而且可以通过仿真分析得到器件内部温度场的分布,从而优化LED 器件的热设计,使结区的热量能有效通过基板和热沉散发出去,并能减少LED 系统的体积和成本。

         

        未完待续

         

        援引:《用于油墨固化的紫外LED光源封装技术研究》

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  • 技术支持 圭谷设计
  • 关键词: 消毒光源、深紫外LED、紫外消毒、紫外光源、DUV LED、UV LED、UVC、UVB