发光二极管的封装热阻材料及数值比较

熟悉发光二极管性能的朋友们都知道，关于发光二极管的性能提升，是不能贸然对输入功率进行增强的。因为发光二极管在工作过程中本身会散发大量的热，并且热能的散发随着功率的升高而升高。而过热会使得器件的性能发生衰减，极大地影响工作。

这种情况称为温升效应，在实际设计中应对温升效应的方法主要有两种。一种是设法提高器件的电光转换效率，使尽可能多的输入功率转变成光能。另一种方法是设法提高器件的热散失能力，使结温产生的热通过各种途径散发到周围环境中去。显然对于一个确定的LED，设法降低热阻是降低结温的主要途径。

图1

实践指出，LED的热阻将严重影响器件的使用条件与性能。图1指出了具有不同热阻值的LED，极大正向电流随环境温度的变化。由此可见，对于确定的环境温度，热阻越小，所对应的极大正向电流就越大。这显然是由于，当热阻较小时，器件的散热能力较强，因此为达到器件的最大结温，器件工作在较大的正向电流。反之，如器件的热阻较大，器件散热不易，故在较小的正向电流下，LED即可达到最大结温。

图2

图2指出了不同热阻的器件的光通量与正向电流的关系，由此可见，当热阻较小时，光通量几乎与正向电流成正比例增加，当热阻较大时，由于P-N结温的上升，当正向电流加大到某值时，光通量将趋于饱和，并随之逐渐下降。相应于确定的正向工作电流，热阻越小，器件对应的光通量就越大，这显然与较小的热阻使器件保持在一个较低的芯片温度有关。

对于一个LED管，设法降低PN结与应用环境的热阻是提高器件散热能力的根本途径。由于环氧胶是低热导材料，因此PN结处产生的热量很难通过透明环氧向上散热到环境中去、大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘结层、PCB与热沉向下发散。显然、相关材料的导热能力将直接影响器件的热阻与散热性能。

表1LED衬底材料的热导系数

表2常用热沉材料的热导系数

上述两表指出了若干常用的衬底与热沉材料的导热系数值。银浆与环氧的数据未在表中列出，他们的导热系数值分别为20–30w/m·k与15–25w/m·k。知道了材料的热导系数，即可根据下式计算热阻值：

Rθ=h/ρ*s

S为物体截面积单位为㎡（平方米）。H为导热路径上二个节点间的距离，单位为m（米）。显然为减小LED的总热阻，应设法减小芯片PN结到环境之间的距离，增大散热通道面积及采用高热导的材料，由于LED的衬底材料GaAs、蓝宝石以及环氧、银浆与粘结剂均是一些低热导的材料，为减小热阻，近年来相继开发了去除GaAs衬底、采用倒装结构以及改用金属直接替代胶结等新技术。目前这些技术逐渐成熟，并大量投入生产。

由常用热沉材料的热导系数表知：纯铜与纯铝是二种具有极高热导的适与制造LED支架与热沉的材料。材料确定后，散热通道的截面积与散热片表面积的大小决定了器件的总热阻。实验指出，散热面积越大，热阻越低。另外，通过风扇使环境气氧产生了强制交换，也是减小阻的有效途径。

本文主要介绍了发光二极管的各类热封装对比数值，并对其中一些参数进行了详细的介绍。散热对于发光二极管的寿命以及效率有着较为重要的影响作用，希望各位设计者在进行设计之前能够熟知这些热封装数值，以免造成不必要的麻烦。