摘要：LED在现实生活中应用十分广泛，为了提高LED的使用效率，需要对LED的散热效果进行有效的设计，大功率LED阵列的工作寿命与LED的散热性能有着直接的关系，一般情况下，LED在工作过程中，只有20%的电能转换为光能，而其他只是转化为热能，可见LED在具体的工作过程中，会产生大量的热能，这就需要在LED系统设计中，加强对LED的散热性能进行设计，有效的控制LED的散热方式，通过采用各种散热技术方法来提升LED的散热效果。在具体的设计中，需要根据LED的使用方法以及LED阵列功率的大小，采用不同的散热技术与散热效果较好的材料，在对PN结的结温进行控制的同时，还要能够有效的降低散热器的热阻，提高散热器的散热效果。
关键词：大功率；LED；散热技术；分析
1大功率LED的工作原理分析
1.1LED结构
PN结是发光二极管(LED)的核心，主要是半导体材料构成的，主要是GaAs（砷化稼)、GaP(磷化稼)、GaAsP(磷砷化稼)等半导体作为PN结的主要材料，在一般情况下，LED的主要PN结是一个以5mm常规半径构成，在PN结的边缘利用0.23mm的正方形管芯将PN结粘接或者烧结在带引线的二极管支架上，将引线作为二极管的阴极，球形触点的金丝键作为二极管的内引线，然后在它们连接到另一支架上，将多个二极管连接在一起就形成了大规模的LED矩阵。LED发光二极管的工作原理是将电能转化光能力的过程，当在二级管的PN结两端加上正向偏压时，二极管的PN电势发生变化，这时P区的正离子电荷开始向N结流动，而N结的负离子电荷也向P结流动，在P结与N结之间开始形成电势差。在一个电光转换过程，当在PN结两端加载一个正向偏压时，就会在P结与N结之间的区域形成非电荷平衡，这样在P结与N结形成的系统中，形成的载流子是不稳定的，在PN结中的非平衡空穴要与导带的电子复合，形成电流，而产生的多余载流子的能力会以光的形式辐射出来。
1.2大功率LED阵列的热效应及影响
目前，由于大规模LED矩阵产生的热量如果得不到及时的散热，就会影响LED的正常使用，在一般的情况，LED的发光效率使用的能量只能占20%左右，80%的能量作为热量散发出去，如果LED的光通能量达到标准普通照明时，光通量要达到1000流明以上，而我们一般使用的LED照明光源LED（1mmX1mm）的功率一般是1瓦左右，而产生的热流密度就会达到106W/mz以上，这时就需能够及时的将产生的热流传导出去，否则就会积累在LED芯片的内部，从而会导致芯片的结温升高，最终就烧毁芯片。这是LED芯片设置必须要解决的问题，当多个芯片封装在一起时，在增加光通量的同时，也产生的更多的热量散热问题。电流持续通过PN结，在LED光通量增加的同时，还会导致PN结的温度升高，进而就会影响LED的PN结内部的电子浓度，同时也会影响PN结的空穴浓度，禁带宽度等参数，如果长时间的不能散热，就需导致PN结的正向偏压、发光效率、主波长等受到影响，这样就会影响LED的使用寿命，也会影响LED的正常工作。当LED结温的升高时，就会改变PN结之间的载流子的流动，这样会严重破坏PN结的正向偏压，导致LED不能够正常工作。如果PN结温度持续升高，它的工作环境就会发生变化，这时，PN结两边的热平衡电子浓度就会发生变化，导致大量的少子产生，从而就会很快的激发PN结载流子的浓度比杂质比就和增加，这时就会导致PN结的欧姆接触电阻的电阻率下降，就会将杂质半导体变成了本征半导体，造成PN结的功能消失，进而会影响PN结的正常工作。
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2LED散热技术指标分析
2.1PN结结温
PN结的结温主要由于PN在通电的过程中产生的问题，一般情况下是指LED芯片的温度也是指大功率LED芯片有源区的温度。当PN结在工作时，由于电极之间存在电压，就会导致P接与N结之间产生温差，影响PN结结温的因素主要有：（1）LED元器件不良的电极结构。LED的PN结合材料直接影响着LED的导电情况与PN结的结温，主要包括PN结的区域材料、导电银胶以及视窗层衬底等部分都具有一定的电阻值，如果将这些电阻串联在一起，在电流经过时，就会在PN通电时产生大量的热能，如果不能及时将这些热能排出，进而能够导致PN结或者芯片的温度提升。（2）LED元器件工作时的光电效应。当PN结开始工作时，P区流向N区得电荷只有20%的转换成光能，剩余的转换为热能，才能热能就是十分巨大的，而且N区域向P区产生电荷移动时的能量全部转变成热能，这也会影响PN结的结温，如果PN结的光电效能较差的话，就会导致PN结的结温增加。（3）LED内部器件的热散失能力对PN结结温产生影响。由于大部分LED器件的内部一般采用透明的环氧树脂材料，它们的导热率很低，PN结区域产生的热能只有一小部分通过内部器件散发出去，而大部分的热量散发到这种的透明的环氧树脂材料材料中，向LED的PCB基板与热沉等散热器方向进行散热，这样就会导致了LED的散热效率，也会导致PN结的结温升高。（4）PN结的制作工艺。目前，在LED的制作工艺都采用了先进的技术水平，几乎能够将全面的电能转化为热能，但是如果LED的PN周围的介质对光的折射系数过大，就会将反射回芯片内，从而也会导致PN结的结温过高。
2.2LED热阻对散热指标的影响
LED的热阻也是表征LED热性能的一个重要参数，如果LED设备的热阻越小，说明系统的散热性能较好，也表明LED的散热通道越流畅，内部的散热设计效果越好，这样LED产生的热量更容易散失出去，系统的散热性能越好，当系统散热效果好时，LED芯片结温更容易变低，就能够提升LED的寿命。一般地，LED的发热中心主要是芯片的有源区，在设计的时候，如果将LED的芯片尺寸设计的相对面积比较大，而且还比较薄，这时，可以假定LED散热是沿着芯片的截面方向垂直传递，对LED的热阻进行分析，从PN结向外部热沉，这样LED的热扩散方式就是向外进行扩散。在对LED的热阻进行分析时，可以将热阻分为内热阻和外热阻两种形式，内热阻是LED芯片固有的热阻，属于LED芯片的内在性质，它与制作LED芯片的材料，形状及生产工艺等有关，它对LED芯片的散热性能起着决定性的作用。外热阻是LED芯片的外部壳体、外部热沉的热阻，是与LED外部材料直接相关的，外部热阻的大小与外部壳体的封装材料、形式及外部热沉的导热率具有直接的联系，外部热阻大，导致LED芯片的总体散热率下降。
3结语
LED是发光二极管简称的缩写，是一种以半导体管芯为基础的发光材料，随着半导体材料研究的技术不断的成熟，大规模的发光二极管得到了广泛的应用。LED发光二级管的能耗低、照明强度高，寿命长，能够根据具体的需要设计不同的尺寸大小，已经广泛的应用室内装修、汽车、道路、城市照明等。在实际工作中，LED的功率是无法达到100%的，将近有80%的输入功率要转换为热损耗，随着大规模、矩阵型的LED灯的使用，能耗也会变得越来越大，如果不能及时的处理散热问题，将会导致热量集中在二极管的PN结，就会降低LED灯的使用寿命，严重时甚至会烧毁LED。
参考文献：
[1]王飞.大功率LED散热技术研究[J].资源节约与环保,2017(11):36-37.
[2]李思琪,张善端.大功率LED散热技术研究现状[J].光源与照明,2017(03):13-16.
[3]刘菊.大功率LED散热技术探讨[J].宜春学院学报,2014,36(06):46-49.
[4]晏建宇,王双喜,刘高山,叶家星.大功率LED散热技术研究进展[J].照明工程学报,2013,24(05):84-89+98.
论文作者:刘靖嵩
论文发表刊物:《防护工程》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/9
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