LED芯片溫度成因與半導體照明散熱技術(shù)解析

LED結(jié)溫的成因與散熱技術(shù)

LED照明技術(shù)因其高效率、節(jié)能和環(huán)保特性，在現(xiàn)代照明領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。然而，隨著功率的增加，LED的散熱問題成為了制約其性能的關(guān)鍵因素。

LED結(jié)溫的影響因素分析

LED技術(shù)在過去幾十年中取得了顯著進步，發(fā)光效率提高的同時成本降低，色彩也更加豐富。大功率LED因其高效、節(jié)能、環(huán)保的特性，有潛力成為新一代照明光源。然而，散熱問題仍是其發(fā)展的一大障礙。

結(jié)溫對發(fā)光效率的影響

研究表明，LED芯片結(jié)溫的升高會顯著影響發(fā)光效率。例如，結(jié)溫從25℃升至60℃時，發(fā)光量減少至90%；結(jié)溫達到100℃時，發(fā)光量降至80%；而結(jié)溫達到140℃時，發(fā)光量僅剩70%。因此，控制結(jié)溫對于提升LED的發(fā)光效率至關(guān)重要。散熱不良會導致LED工作溫度升高，影響色度、顯色指數(shù)、色溫，降低發(fā)光效率，縮短使用壽命。

大功率LED照明產(chǎn)品的散熱現(xiàn)狀

市場上的大功率LED照明產(chǎn)品普遍采用“芯片-鋁基板-散熱器三層結(jié)構(gòu)模式”。這種結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)構(gòu)造上存在不足，如高結(jié)溫、低散熱效率和高接觸熱阻，導致芯片產(chǎn)生的熱量無法有效散發(fā)，影響LED燈具的性能和壽命。

散熱機制的局限性

由于結(jié)構(gòu)、成本和功耗的限制，大功率LED照明產(chǎn)品難以采用主動散熱機制，而被動式散熱機制的局限性較大。LED的能量轉(zhuǎn)換效率不高，約70%的輸入電能轉(zhuǎn)化為熱能，即使光效提高，仍有大量能量轉(zhuǎn)化為熱能，散熱問題不容忽視。

LED照明光源的特性

與傳統(tǒng)照明光源不同，LED半導體照明光源基于半導體材料，通過PN結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可見光。LED具有高發(fā)光效率、短響應(yīng)時間、小體積和節(jié)能等優(yōu)點。此外，LED的正向電流和電壓具有負溫度系數(shù)，隨溫度上升而減少，且正向電壓必須超過某一閾值才會產(chǎn)生電流。

LED結(jié)溫的成因及控制方法

LED結(jié)溫的產(chǎn)生主要有兩個因素：內(nèi)部量子效率和外部量子效率。大部分電能未轉(zhuǎn)化為光能，而是轉(zhuǎn)化為熱能。為了降低LED結(jié)溫，可以采取以下措施：控制額定輸入功率、設(shè)計良好的二次散熱結(jié)構(gòu)、減少LED安裝介面之間的熱阻、降低周圍環(huán)境溫度、減少LED自身的熱阻。

1.內(nèi)部量子效率

內(nèi)部量子效率指的是電子和空穴復(fù)合時產(chǎn)生光子的效率。由于并非所有的電子-空穴對復(fù)合都能產(chǎn)生光子，這部分未轉(zhuǎn)化為光的能量會以熱的形式耗散。

2.外部量子效率

外部量子效率是指從LED芯片發(fā)射出的光子與內(nèi)部產(chǎn)生的光子的比例。由于部分光子無法逃逸出芯片，這部分能量轉(zhuǎn)化為熱量。

LED半導體照明光源的散熱方式

散熱器根據(jù)帶走熱量的方式可分為被動散熱和主動散熱。被動散熱依靠散熱片自然散發(fā)熱量，效果與散熱片大小成正比，適用于低功率、發(fā)熱量小的器件。主動散熱通過設(shè)備如風扇等主動將熱量帶走，具有高散熱效率和小型化特點。

垂直電極散熱技術(shù)

另一種散熱方式是采用“垂直”電極制造LED元件，有助于散熱。以GaN基板為例，由于其導電特性，可以直接在基板下制作電極，有助于快速散熱。然而，這種方法的材料成本較高，會增加元件的制作成本。

結(jié)論

LED結(jié)溫控制和散熱技術(shù)對于提升大功率LED照明設(shè)備的性能至關(guān)重要。通過優(yōu)化散熱設(shè)計和采用有效的散熱方式，可以提高LED照明產(chǎn)品的光效和壽命，滿足現(xiàn)代照明的需求。