LED芯片温度成因与半导体照明散热技术解析

LED结温的成因与散热技术

LED照明技术因其高效率、节能和环保特性，在现代照明领域扮演着越来越重要的角色。然而，随着功率的增加，LED的散热问题成为了制约其性能的关键因素。

LED结温的影响因素分析

LED技术在过去几十年中取得了显著进步，发光效率提高的同时成本降低，色彩也更加丰富。大功率LED因其高效、节能、环保的特性，有潜力成为新一代照明光源。然而，散热问题仍是其发展的一大障碍。

结温对发光效率的影响

研究表明，LED芯片结温的升高会显著影响发光效率。例如，结温从25℃升至60℃时，发光量减少至90%；结温达到100℃时，发光量降至80%；而结温达到140℃时，发光量仅剩70%。因此，控制结温对于提升LED的发光效率至关重要。散热不良会导致LED工作温度升高，影响色度、显色指数、色温，降低发光效率，缩短使用寿命。

大功率LED照明产品的散热现状

市场上的大功率LED照明产品普遍采用“芯片-铝基板-散热器三层结构模式”。这种结构在系统构造上存在不足，如高结温、低散热效率和高接触热阻，导致芯片产生的热量无法有效散发，影响LED灯具的性能和寿命。

散热机制的局限性

由于结构、成本和功耗的限制，大功率LED照明产品难以采用主动散热机制，而被动式散热机制的局限性较大。LED的能量转换效率不高，约70%的输入电能转化为热能，即使光效提高，仍有大量能量转化为热能，散热问题不容忽视。

LED照明光源的特性

与传统照明光源不同，LED半导体照明光源基于半导体材料，通过PN结构产生可见光。LED具有高发光效率、短响应时间、小体积和节能等优点。此外，LED的正向电流和电压具有负温度系数，随温度上升而减少，且正向电压必须超过某一阈值才会产生电流。

LED结温的成因及控制方法

LED结温的产生主要有两个因素：内部量子效率和外部量子效率。大部分电能未转化为光能，而是转化为热能。为了降低LED结温，可以采取以下措施：控制额定输入功率、设计良好的二次散热结构、减少LED安装介面之间的热阻、降低周围环境温度、减少LED自身的热阻。

1.内部量子效率

内部量子效率指的是电子和空穴复合时产生光子的效率。由于并非所有的电子-空穴对复合都能产生光子，这部分未转化为光的能量会以热的形式耗散。

2.外部量子效率

外部量子效率是指从LED芯片发射出的光子与内部产生的光子的比例。由于部分光子无法逃逸出芯片，这部分能量转化为热量。

LED半导体照明光源的散热方式

散热器根据带走热量的方式可分为被动散热和主动散热。被动散热依靠散热片自然散发热量，效果与散热片大小成正比，适用于低功率、发热量小的器件。主动散热通过设备如风扇等主动将热量带走，具有高散热效率和小型化特点。

垂直电极散热技术

另一种散热方式是采用“垂直”电极制造LED元件，有助于散热。以GaN基板为例，由于其导电特性，可以直接在基板下制作电极，有助于快速散热。然而，这种方法的材料成本较高，会增加元件的制作成本。

结论

LED结温控制和散热技术对于提升大功率LED照明设备的性能至关重要。通过优化散热设计和采用有效的散热方式，可以提高LED照明产品的光效和寿命，满足现代照明的需求。