大功率LED光源热的计算方法和测试方法介绍

3.大功率LED的热阻计算
（1） 根据公式（1），晶片上P-N结点到环境的总热阻：
Rthja = 绕行电感△Tja/Pd = (Tj-Ta)/Pd
其中： Pd = 消散的功率（W）≈正向电流If * 正向电压Vf,
ΔTja=Tj-Ta= 结点温度 - 环境温度。
（2）设定晶片上P-N结点生成的热沿着以下简化的热路径传导：结点→热沉→铝基散热电路板→空气/环境（见图1），则热路径的简化模型就是串联热阻回路，如图2表示：

P-N结点到环境的总热阻：

Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba

图2中所示散热路径中每个热阻抗所对应的元件介于各个温度节点之间，其中：Rthjs(结点到热沉) ＝ 晶片半导体有源层及衬底、粘结衬底与热沉材料的热阻；

Rthsb(热沉到散热电路板) ＝热沉、连结热沉与散热电路板材料的热阻；

Rthba（散热电路板到空气/环境）＝散热电路板、表面接触或介于降温装置和电路板之间的粘胶和降温装置到环境空气的组合热阻。

根据公式（2），如果知道了个材料的尺寸及其热传导系数共模电感器，可以求出以上各热阻，进而求得总热阻Rthja。

以下是几种常见的1W大功率LED的热阻计算：以Emitter(1mm×1mm晶片)为例，只考虑主导热通道的影响，从理论上计算P-N结点到热沉的热阻Rthjs。

A、正装插件电感器晶片/共晶固晶

B、正装晶片/银胶固晶

C、si衬底金球倒装焊晶片/银胶固晶（见图3所示）

图3 倒装焊晶片/银胶固晶 大功率LED剖面图

三、大功率LED热阻的测量

1. 原理

半导体材料的电导率具有热敏性，改变温度可以显著改变半导体中的载流子的数量。禁带宽度通常随温度的升高而降低，且在室温以上随温度的变化具有良好的线性关系，可以认为半导体器件的正向压降与结温是线性变化关系：
ΔVf=kΔTj（K：正向压降随温度变化的系数）
则从公式（1）及其推导可知，大功率LED的热阻（结点到环境）为：
Rthja＝ΔVf /（K*Pd ）
式中， Pd＝热消散速率，目前约有60％～70％的电能转化为热能，可取Pd＝0.65*If*Vf计算。
只要监测LED正向压降Vf的改变，便可以求得K值并算出热阻。

2. 测量系统

热阻测试系统如图4，要求测试中采用的恒温箱控温精度为±1℃，电压精度1mv。图中R1是分流电阻，R2用来调整流过LED的电流大小，通过电阻R1、R2和恒流源自身的输出调节，可以精确控制流过LED的电流大小，保证整个测试过程中流过LED的电流值恒定。

3. 测试过程
（1）测量温度系数K：
a. 将LED置于温度为Ta的恒温箱中足够时间至热平衡,此时Tj1= Ta ；
b. 用低电流（可以忽略其产生的热量对LED的影台庆电感响，如If’ = 10mA）快速点测LED的Vf1；
c. 将LED置于温度为Ta’(Ta’>Ta)的恒温箱中足够时间至热平衡，Tj2=Ta’；
d. 重复步骤2，绕行电感器测得Vf2；
e. 计算K：K＝(Vf2-Vf1)/(Tj2-Tj1)＝(Vf2-Vf1)/( Ta’- Ta)

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