LED封装的热学研究
LED照明灯具传热系统探究
LED照明灯具传热系统探究本文从LED灯具热设计原则、LED基板和散热器散热三个方面，探究LED 照明灯具热设计中对流传热和辐射传热。
标签：辐射，对流，热设计，热管理一、LED照明产品热设计的原则LED热设计涉及传热学、工程流体力学和人机工程学领域，其热能传递含热传导、热对流和热辐射三种途径。
对LED灯具进行熱管理，可以控制LED结温和散热器外表温度，也可以将散热器最优化，将灯具成本和整机性能取到一个平衡点。
进行热设计时，我们根据LED照明产品的结构特点，兼顾LED和驱动两部分，努力降低LED和驱动电子元器件的温度，同时要求散热设计简单、可靠。
二、LED照明灯具辐射和对流传热1.辐射传热简介辐射是电磁波传递能量的现象，按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率的电磁波，由于热的原因而产生的电磁波辐射成为热辐射（thermal radiation），热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的，只要物体的温度高于“绝对零度”（即0K），物体总是不断的把热能变为辐射能，向外发出热辐射。
同时物体亦不断地吸收周围物体投射到它表面上的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。
辐射传热就是物体之间相互辐射和吸收的总效果。
实际物体的辐射力可以表示成：其中：为实际物体的发射率，习惯上称黑度为黑体辐射系数，其值为5.67W/（m2*K4）T为实际物体的热力学温度，单位为K热辐射不需要其他介质存在，而且在真空中传递的效率最高。
当辐射能进入固体，在一个极短的距离就被吸收完了，对于金属导体，这一距离只有1μm的数量级，对于大多数非导电材料，这一距离亦小于1mm，对于灯具材料而言，可认为固体和液体不允许热辐射穿透。
2.常见物体发射率物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。
金属的发射率随表面温度上升而增大，随表面光洁度的升高而降低。
大部分非金属材料的发射率都很高，一般在0.85～0.95之间，且与表面状况（包括颜色在内）的关系不大，在缺乏资料时，可近似取作0.9。
当前大功率LED 封装散热技术研究情况解析
当前大功率LED封装散热技术研究情况解析来源：LED照明论坛作者：浙江大学苏达王德苗摘要：如何提高大功率发光二极管(Li t Emitting Diode，简称LED)的散热能力，是LED器件封装和器件应用设计要解决的核心问题。
详细分析了国内外大功率LED散热封装技术的研究现状；总结了其发展趋势，并指出了减少内部热沉可能是今后的发展方向。
关键词：电力半导体器件；发光二极管；光电元件；散热；封装1 引言发光二极管(LED)诞生至今．已经实现了全彩化和高亮度化，并在蓝光LED和紫光LED的基础上开发了白光LED．它为人类照明史又带来了一次飞跃。
与自炽灯和荧光灯相比，LED以其体积小，全固态，长寿命，环保，省电等一系列优点，已广泛用于汽车照明、装饰照明、手机闪光灯、大中尺寸，即NB和LC D．TV等显示屏光源模块中。
已经成为2l世纪最具发展前景的高技术领域之一LED是一种注入电致发光器件．由Ⅲ～Ⅳ族化合物，如磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)等半导体制成在~I-DN电场作用下．电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将一部分能量转化为光能．即量子效应，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能量转化为热能。
目前，高亮度白光LED在实验室中已经达到1001m／W 的水平，501m／w 的大功率白光LED也已进入商业化，单个LED器件也从起初的几毫瓦一跃达到了1．5kW。
对大于1W 级的大功率LED而言，目前的电光转换效率约为15％，剩余的85％转化为热能．而芯片尺寸仅为1mm×1mm～2．5mm~2．5mm．意即芯片的功率密度很大与传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱中不包含红外部分．所以其热量不能依靠辐射释放。
因此，如何提高散热能力是大功率LED实现产业化亟待解决的关键技术难题之一l】1。
2 热效应对大功率LED的影响对于单个LED而言．如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出．则会导致芯片的温度升高．引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。
东南大学物理学院-LED热学特性研究实验讲义
大功率LED热学特性研究（课题实验）发光二极管（Light Emitting Diode, LED）在过去十几年里有了飞速的发展，逐渐突破了仅能作为低功率指示灯光源的限制，被广泛应用于日常照明和显示等领域[1-2]。
LED是通过外电流注入的电子和空穴在耗尽层中复合，以辐射复合产生光子而发光，同时也会有部分复合能量传递给晶格原子或离子，发生非辐射跃迁，这部分能量转换成热能损耗在PN结内。
对于小功率LED来说这部分热量很小可以不作考虑。
然而，对于大功率照明用LED而言，其发热量大幅提高，直接影响到了LED的发光效率和器件的使用寿命，以及引起波长的漂移，造成颜色不纯等一系列问题。
因此，研究功率型LED的热学与发光特性不仅涉及半导体物理的基础问题，也是目前光电工程领域的开发热点[3-4]。
一、实验原理简介1. 脉冲法测量结温准确测量LED的结温是研究LED热学特性的基础。
LED灯的基本结构如图1所示，其芯片的核心结构是一个半导体的PN结，所谓LED的结温指的就是PN结的温度。
由于PN 结的尺寸很小，又被荧光材料和树脂胶包裹，无法直接测量其温度，因此常用间接法来测量结温。
本实验仪器采用一种较为新颖的脉冲法测量结温，该方法于2008年由美国NIST实验室提出[7]。
其核心思想是通过脉冲电流来限制结温TJ的上升，使之与器件表面可测量温度TB接近一致。
当给待测LED灯通入一个幅值为额定值的脉冲电流时，芯片在脉冲内正常发光并升温，但由于电流占空比很小，芯片温度会在一个较长的电流截止状态下降低到和表面温度一致。
从整体效果来看，只要脉冲占空比足够小，LED的芯片温度能维持和表面温度一致，如图2所示。
这样，只要借助温控仪就能在脉冲电流下定标出芯片两端的电压‒温度曲线。
由于在电流一定时，特定PN结的压降仅和结温有关，所以在有了LED的电压‒温度曲线后，只需测量正常工作时LED两端的电压就可以得到其实际的结温。
图1 功率型LED 基本结构示意图图2 （a ）LED 在不同占空比的脉冲电流下结温随时间的变化示意图；（b ）待测LED 灯珠在脉冲电流和稳流状态下点亮时，器件表面温度随时间的变化曲线。
利用Flotherm对大功率LED封装的热分析
透镜 以及芯 片热沉等 各环节 的散热 问题 都必须 很好 地重 视 。大 多数塑料 和环 氧树脂暴 露在 紫外线 辐射 下都 会变黄 老化 。这 种老化 随着封 装结 构温度 的增 加会 越来越严 重 ， 而且 不可逆转 。 了最大 限度地减 为 少ｌ ＥＤ封 装树脂 的老 化效 应 。 装 中多余 热量 应避 封 免从 取光路 径散 出 。 此通 过设 计低 热阻 Ｌ Ｄ封装 为 Ｅ 结构将 其芯 片产生 的大部分 热量通 过芯 片底部 热沉 消散 到外界环 境 中去 。其 突破点就 是芯 片热沉 的结
［ 稿 日期］０ ０ ０ — ８ 收 ２ １— ２胶粘接在表 ］Ｅ ：
面绝缘 的芯 片热沉上 ．芯 片电极通 过金 线与 引线框
架连接 ． 芯片外部用硅橡胶或者其他热稳定性、 绝缘
性 以及 光学透 明的树脂 材料 封装 ，热沉 四周用 塑料
【 作者简介降 晶（９４ ， 福建龙岩人， １７一）女， 讲师， 主要从事数控技术教学工作。
构、 尺寸和材 料。
功率 ， 改善电子产品的性能和可靠性 ， 减少设计 、 生 产、 再设计和再生产的费用 。 缩短高性能电子设备的 研制周期。热分析软件能够 比较真实地模拟系统的
热状 况 。 应用 热分析 软件 ， 在设计 过程 中就能 预测到 器 件的工作 温度值 ， 样可 以纠正 不合理 的布排 ， 这 取 得 良好 的布局 ，从 而可以缩 短设计 的研制 周期 。其 次 ． 过若干 次的改进设 计 ． 计工 程师可 以对 电子 经 设
本文 主要 针对 某一 １ 单芯 片功 率型 Ｌ Ｄ的 ｗ Ｅ
设备进行有效的热控制，使它在规定的温度极限内 工作 ， 从而可以提高电子设备的可靠性。
目前 比 较 成 熟 的 商 品 化 功 率 型 发 光 二 极 管
LED封装-引脚式封装
三、管理机制和生产环境
四、LED点亮时的热量导出
引脚封装的LED中，90%的热量是由负极引 脚散发到印制电路板上的。 封装角度：引脚有铜支架和铁支架（我们平时 使用的一般是铁支架） 使用角度：印制电路板上的薄铜板面积留大， 以便于散热。较大功率加风扇，再大功率，如 大屏幕显示加空调。
关于LED封装
LED封装的电学问题
封装的对象是芯片，芯片的尺寸小从 200×200µm到1.666×1.666mm，其上的电极 更小，要将内部电极引到外部电极，同时要对 电极进行保护。
关于LED封装
LED封装的光学问题
LED的pn结电子和空穴的复合产生可见、紫 外、红外光。
pn结发出的光向各个方向的几率相同。 为了使光尽可能发射到感兴趣的方向上，LED
3、芯片扩张机——芯片扩张
二、工艺流程及选用设备
4、背胶机——背胶
二、工艺流程及选用设备
5、自动固晶机——固晶
二、工艺流程及选用设备
6、烘干箱——烘干
二、工艺流程及选用设备
7、超声波焊线机——焊线
二、工艺流程及选用设备
8、显微镜——检验
二、工艺流程及选用设备
9、灌胶机
二、工艺流程及选用设备
一、引脚式封装引言
引脚式封装
一、引脚式封装引言
引脚式封装
引脚式封装
LED芯片：粘接在引线架（也称支架）上。 正极：用金丝连接在一个支架上。 负极：用金丝连接在支架反射杯内，或用银浆
粘接在支架反射杯内。（根据L型还是V型电极 来确定）。
顶部：用环氧树脂包封，做成圆柱+半球型，
根据圆柱直径命名Φ3、5、8、10的LED
LED封装中热沉及热电制冷器材料的研究进展_钟达亮
钟达亮，秦 红，王长宏，肖泽成
（广东工业大学材料与能源学院，广东 广州 ５１０００６）
摘 要：在深刻分析热沉和热电制冷散热机理的基 础 上，结 合 国 内 外 学 者 对 两 种 散 热 器 件 的 理 论 分 析， 详细描述了热沉及热电制冷器应用于 ＬＥＤ 封装上的研究进展．通过建立理论热模型 及 运 用 数 值 模 拟 的 方法，研究材料因素对散热性 能 的 影 响．在 材 料 的 应 用 上，对 热 沉 中 的 Ａｌ／ＳｉＣ 材 料 及 热 电 制 冷 器 中 的 ＰｂＴｅ晶体材料进行实验研究．指出热沉及热电制冷器 的 优 化 不 仅 要 考 虑 内 部 材 料 和 几 何 形 状，更 要 考 虑 热 沉 、热 电 制 冷 器 和 风 扇 等 外 部 组 合 情 况 ． 关 键 词 ：发 光 二 极 管 （ＬＥＤ）；材 料 ；热 沉 ；热 电 制 冷 器 ；优 化 中 图 分 类 号 ：ＴＮ３０５．９４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
最高翅片热导率或者限定体积下的最大热沉效率层 面 上 对 热 沉 进 行 优 化 ．Ｐｕｑｉ Ｎｉｎｇ［１２］等 人 介 绍 了 一 种 优化 模 型，包 括 热 沉、风 扇 及 流 道，该 模 型 能 够 准 确
模拟热沉－风扇散热系统的性能表现．并在 此 基 础 上 发掘了优化 步 骤 用 以 获 得 热 沉－风 扇 冷 却 系 统 的 最 小重量．Ａｍｉｔ Ｓｈａｈ 等 人 在 ［１３］ 热 沉 的 整 体 优 化 上， 采用沿高度方向切除中间部分肋片的方法形成高度
第４卷 第４期
钟达亮，等：ＬＥＤ 封装中热沉及热电制冷器材料的研究进展
３４５
图 ３ 热 电 制 冷 原 理 图
２．２ 热 电 制 冷 器 的 研 究 进 展 Ｓｕｎｇ Ｋｉ Ｋｉｍ 等 人 对 ［１４］ 一 种 采 用 热 电 制 冷 的
功率led热学特性研究
功率led热学特性研究LED（LightEmittingDiode），即发光二极管，是当今技术发展的重要组成部分，从照明产品到显示器，LED用广泛。
由于具有良好的节能、长寿命、可靠性和安装外形的优点，LED术可以满足用户在不同技术环境中的多种需求，在很大程度上改变了日常生活。
但是，随着LED扩大应用，其功率会随之升高，因此，功率LED 热学特性的研究变得越来越重要。
功率LED工作时会产生很大的热量，这种热量通常被称为热衰减。
热衰减对LED的寿命、照明效率和性能有重要影响，必须继续研究和改进。
本文旨在介绍有关功率LED热学特性的知识，并分析功率LED的热衰减原因以及应采取的最佳措施。
研究发现，功率LED的热衰减主要由其结构和工作条件所决定。
LED结构上的改进主要集中在降低LED热阻以及引入热散热器的情况下，可以改善热衰减状况。
工作条件方面，可以通过调整LED的工作电流以及散热器的参数等来改善热衰减状况。
关于功率LED热衰减的最佳控制方法，一般来说，应尽可能选择低功率LED；并建议在LED和外部元件之间引入电镀铜箔或贴片方式的热散热器；同时应尽可能采用低工作功率，以减少LED的热损耗。
此外，针对功率LED的热衰减，有必要定期检查和维护LED的电源硬件以及工作环境中的热量。
在总结上述内容的基础上，可以得出结论：功率LED热学特性的研究是非常重要的，因为它会对LED的寿命、照明效率和性能产生重要影响。
LED结构和工作条件对热衰减有重要影响，应采取选择低功率LED、引入电镀铜箔或贴片方式的热散热器、采用低工作功率、定期检查LED的电源硬件以及工作环境中的热量的措施来优化热衰减状况。
综上所述，功率LED热学特性的研究是十分重要的，可以在大大提升LED的效率、使用寿命和性能方面发挥重要作用。
采取科学的控制方案，可以减少LED的热衰减，保证LED正常使用，更有利于改善生活质量。
LED可靠性及热学特性研究的开题报告
LED可靠性及热学特性研究的开题报告题目：LED可靠性及热学特性研究研究背景：随着节能环保理念的不断深入人心，LED作为一种新兴照明技术，受到了广泛的关注。
LED具有寿命长、高效节能、稳定性好等优势，因此在照明、显示、通讯等领域得到了广泛的应用。
然而，LED可靠性和热学特性是制约其应用的关键问题。
因此，对LED可靠性和热学特性的研究具有重要的理论和实际意义。
研究目的：本研究旨在对LED的可靠性和热学特性进行系统的研究，探索其在实际应用中的应用价值。
研究内容：本研究将分为以下几个方面进行探究：1. LED的工作机制和发光原理，包括LED的结构、材料和制备工艺等方面的内容。
2. LED的可靠性分析，探究LED在实际应用中因为各种因素（如：工作环境、使用寿命、质量等）对其稳定性的影响。
3. LED的热学特性分析，重点研究LED的散热性能、温度分布等方面的内容，为LED的设计和制造提供基础的数据支持。
4. 基于LED的实际应用案例研究，探索其在照明、显示、通讯等领域的应用价值和前景。
研究方法：本研究将采用文献资料调研、实验测试、数值模拟等方法进行研究。
其中，文献资料调研主要是为了了解国内外研究进展和发展趋势；实验测试将针对LED的可靠性和热学特性进行测试，并分析其数据；数值模拟将采用有限元模拟等方法模拟LED的热学特性，为实验测试提供理论依据。
预期成果：1. LED可靠性和热学特性的分析报告。
2. LED的数值模拟及验证结果。
3. 一篇基于实际应用的LED研究论文。
4. 对LED可靠性和热学特性研究的探讨，为其实际应用提供基础理论和实验数据支持。
研究意义：本研究将对LED的可靠性和热学特性进行系统的研究和探讨，从理论和实际角度，为其应用提供科学支持和技术方案，推动LED技术的发展和应用。
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2.网格划分（Grid generation）
Once the model has been completed, the software automatically generates basic grids to each component called system grids. However, system grids might not be sufficient for a high thermal gradient surface. The choice of grids affects both the solution and the convergence speed.Therefore, grid dependency study was performed. In this study, a grid independent model was performed using structured and nonuniform grid spacing across the computational domain. Grid independent for the through hole LED was achieved at Nx= 56, Ny=53, Nz= 51, which resulted in 151,368 total grids. Figure 3 shows the graph of grid independence study for through hole LED.
六、敏感性分析（Sensitivity analyses） • 经过对LED封装模型的分析和基于对 热阻的计算可知影响LED热阻的因素 有热沉材料性能，引线框架的机构， PCB板的性能，还有影响热对流的空 气流通速度。在此只选择引线框架来 具体分析。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
Surface temperature profile of a through hole LED
从左图可知LED工作 产生的热量大部分传 到芯片热沉，从芯片 热沉传到阴极最后传 到PCB板。虽然阳极 和阴极通过导电胶相 连接，但是只有很少 的热量从阳极散出。 通过实验知道LED内 部温度和外部温度的 差值是11.5°，这个 值还可以通过优化引 线框架解构来改善。
LED封装的热分析
提纲
• • • • LED和LED的应用 封装和LED LED封装模型的模拟和实验 结论
LED和LED的应用 和 的应用
一、LED概念
• LED就是发光二极管（Light Emitting Diode）。 是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导 体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半 导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。 LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、 白色的光。
实验设备
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
三、结果与分析（Results and discussion）
不考 虑热 辐射
• 在模拟仿真阶段热量的辐射被忽略， 所得到的结果如下图：
Simulation result with conduction and convection only
Modeling result with radiation
对比可知在考虑热辐射后测得的结果和不 考虑热辐射测得的结果之间的误差只有 2%~3%。从而LED工作产生的热大部分还 是通过对流的方式散掉。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
四、模拟数值的确定
• 实验经过对5个LED的模拟，每次计 算得数值与五次计算得到的平均值只 有10%的出入，由外部电阻所得到的 温度在23°-23.5°之间。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
七、实验测量（Validation with actual measurement）
实验所采用的样件是用了1.6mm导线引架和copper alloy OLIN 194相结合的 封装方式，室温23.7°-24.5°下图列出实验值和模拟值。
Comparison between simulation and measurement result of the improved package design
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
一、FLOTHERM软件进行LED封装热模拟步骤：
1.建模并设定参数（Model set-up）
软件建模窗口
需要设定的各项参数
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
Simplified model of through hole LED
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
LED和LED的应用 和 的应用
LED图：
封装结构图
实物图
LED和LED的应用 和 的应用
二、LED的应用
1.显示屏、交通讯号显示光源的应用LED 灯 具； 2. 汽车工业上的应用：汽车用灯包含汽车内 部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、 阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及 头灯等； 3.LED代替LCD做显示器件的背光源； 4.LED作为照明用灯具； 5.装饰作用；
Measurement result
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
五、模拟值与真实值的比较
Comparison between simulation and actual measurement result
上图显示实验值和模拟值之间的误差是5%， 这种偏差是实验所允许的。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
1、引线框架的材料（Leadframe material）
• 引线框架的材料从最开始的钢到现在 黄铜合金。下图列出了所选实验材料 的导热值。
Thermal conductivity value of various leadframe materials
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
由上可知由模拟值和实验值所得到的外部电阻的 误差是1%，而内部电阻的误差是8%。
结论
结论（Conclusion）
1.利用CFD的方式可以很快和准确的活的LED 的热学模型，这 其中包括与LED热阻有关的封装尺寸，进行LED热学实验所需 板的设计，如板的大小和材料使用，得到影响LED散热究方面 的一些因素，例如静态空气实验箱等。 2.通过对模拟实验得到的封装模型进行分析研究知，可以改善 LED组成部分的结构特点和性能来达到改善LED封装的热特性， 如通过改变引线框架材料的性能（从低碳钢到copper alloy copper OLIN 7025），LED内部热阻可以与原来相比降低30%，但是 再在此基础上来提高材料的热导率，热阻不会有明显改善；引 线框架的宽度从0.5mm到1.6mm变化时，内部热阻会降低 22.8%，但是厚度的改变对内部热阻的影响不明显；在降低材 料(OLIN 194)热导率的同时又改变引线框架的宽度（宽度设为 1.6mm），LED的内部热阻会降低51%。
从图可知当引线框架的宽度从0.5mm到1.6mm变化时， 热阻会有很明显的变化，但是当宽度继续增加是，对热 阻的影响不再明显。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
3、结合引线框架材料的导热性和宽度分析
Effect of combining leadframe material changed and leadframe width increased
分析可知当结合引线框架材料的特性和改变引 线框架的宽度时，对热阻的影响最明显，此时 得到的热阻最小。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
Effect of thermal conductivity and width of leadframe by considering L/kA
上图L代表导线引架的长度，k代表热导率，A是横截 面积，分析可知，LED结温和热阻随着导线引架热阻 的升高而升高。
采用不相等的网格划分
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
Grid independent test for through hole LED
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
二、LED实验研究（Experimental investigation）
• 按照JEDEC（联合电子设 备工程会议）对实验步骤 的要求，采用单个LED样 件放在试验箱中根据样件 温度对电压的变化情况得 出一个线性常数K（Kfactor），也即K因子。K 因子要在软件测试时要作 为一个常数来使用。在实 验过程中每个LED的供给 电流是20mA。在测量内 部电阻时要每隔1s测一次， 而测量外部电阻时要等到 整个系统温度稳定以后， 从开始到稳定需15分钟。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
2、引线框架的宽度影响（Effect of leadframe width）
• LED散热的途径 是LED芯片-热沉引线框架-PCB板， 在此过程中当热 由热沉传到引线 框架时会因引线 框架的宽度突然 减小而使得热传 导受阻，所以在 设计封装时要充 分避免这种现象。
下图是采用所给材料做实验得到的曲线图
Effect of thermal conductivity versus junction temperature and junction to pin thermal resistance
Copper OLIN 7025和低碳钢相比，Copper OLIN 7025 的热导率比低碳钢的热导率高了大约三倍，所得到的热 阻也相应的大幅降低，但是从Copper OLIN 7025到 Copper C-151热导率变化很大但是热阻不会因此而变化 太大。
Bottle-neck area in the leadframe