LED結溫產生的原因分析及對策

　   摘要：當電流流過LED元件時，P—N結的溫度將上升，嚴格意義上說，就把P—N結區的溫度定義為LED的結溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結溫。

      1、什么是LED的結溫？

　　LED的基本結構是一個半導體的P—N結。實驗指出，當電流流過LED元件時，P—N結的溫度將上升，嚴格意義上說，就把P—N結區的溫度定義為LED結溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結溫。

　　2、產生LED結溫的原因有哪些？

　　在LED工作時，可存在以下五種情況促使結溫不同程度的上升：

　　a、元件不良的電極結構，視窗層襯底或結區的材料以及導電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加，構成LED元件的串聯電阻。當電流流過P—N結時，同時也會流過這些電阻，從而產生焦耳熱，引致芯片溫度或結溫的升高。

　　b、由于P—N結不可能極端完美，元件的注人效率不會達到100％，也即是說，在LED工作時除P區向N區注入電荷(空穴)外，N區也會向P區注人電荷(電子)，一般情況下，后一類的電荷注人不會產生光電效應，而以發熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷，也不會全部變成光，有一部分與結區的雜質或缺陷相結合，最終也會變成熱。

　　c、實踐證明，出光效率的限制是導致LED結溫升高的主要原因。目前，先進的材料生長與元件制造工藝已能使LED極大多數輸入電能轉換成光輻射能，然而由于LED芯片材料與周圍介質相比，具有大得多的折射係數，致使芯片內部產生的極大部分光子(>90％)無法順利地溢出介面，而在芯片與介質介面產生全反射，返回芯片內部并通過多次內部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動的形式變成熱，促使結溫升高。

　　d、顯然，LED元件的熱散失能力是決定結溫高低的又一個關鍵條件。散熱能力強時，結溫下降，反之，散熱能力差時結溫將上升。由于環氧膠是低熱導材料，因此P—N結處產生的熱量很難通過透明環氧向上散發到環境中去，大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環氧粘接層，PCB與熱沉向下發散。顯然，相關材料的導熱能力將直接影響元件的熱散失效率。一個普通型的LED，從P—N結區到環境溫度的總熱阻在300到600℃／w之間，對于一個具有良好結構的功率型LED元件，其總熱阻約為15到30℃／w。巨大的熱阻差異表明普通型LED元件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦級甚至更高。

　　3、降低LED結溫的途徑有哪些？

　　a、減少LED本身的熱阻；

　　b、良好的二次散熱機構；

　　c、減少LED與二次散熱機構安裝介面之間的熱阻；

　　d、控制額定輸入功率;

　　e、降低環境溫度

　　LED的輸入功率是元件熱效應的唯一來源，能量的一部分變成了輻射光能，其餘部分最終均變成了熱，從而抬升了元件的溫度。顯然，減小LED溫升效應的主要方法，一是設法提高元件的電光轉換效率（又稱外量子效率），使盡可能多的輸入功率轉變成光能，另一個重要的途徑是設法提高元件的熱散失能力，使結溫產生的熱，通過各種途徑散發到周圍環境中去。