LED封装与光源热设计/电子信息与电气工程技术丛书

作者简介

"柴广跃 毕业于清华大学电子工程系，长期从事半导体光电子器件与应用技术的科研与教学工作。现任深圳技术大学新能源与新材料学院教授、深圳大学光电工程学院教授，兼中国电工技术学会半导体光源系统专业委员会副主委、国家半导体照明工程研发及产业联盟人力资源工作委员会人才培养工作组负责人、深圳市LED热管理与故障分析评估中心主任等职，拥有20余项授权发明专利、获得国家科技进步奖和发明奖两次，主编《半导体照明概论》。 王刚 现任明导（上海）电子科技有限公司MAD部门高级产品应用工程师，在半导体器件热测试领域有很深入的研究。曾供职于摩托罗拉、飞思卡尔、英特尔等公司，在半导体封装领域有丰富的实践经验。 李波 同济大学建筑环境与设备工程学士、上海理工大学工程热物理硕士，主要研究方向为电子设备冷却技术。曾就职于台达电子企业管理（上海）有限公司和明导（上海）电子科技有限公司，现为热领（上海）科技有限公司电子设备热设计技术主管，负责电子设备热设计、热仿真技术的应用、推广和培训等相关工作；曾出版《FloTHERM软件基础与应用实例》《FloEFD流动与传热仿真入门及案例分析》和《笑谈热设计》。 向进 毕业于同济大学，获得软件工程硕士和MBA学位。拥有超过15年的半导体行业工作经验，从事过从研发到市场营销的多个领域的工作。现负责Mentor公司大中华区的高校业务，推动Mentor 公司的先进技术在国内高校的应用与普及。已经主持建设多所一流高校的校企联合实验室，推动高校开设涉及Mentor技术的相关课程，策划并资助出版多部高端专业图书。 "

内容简介

第3章LED芯片与热性能 以发光二极管(light emitting diode，LED)为核心的新一代半导体照明(semiconductor lighting，也称为solid state lighting，SSL，即固态照明)是对传统照明体系的一场革命性的颠覆，作为一种安全、健康的“绿色光源”，节能环保效果非常明显。2007年美国《自然》杂志发表文章称： 照明占全球能源消耗的8.9%、电力消耗的19%，对GDP的贡献率仅是0.63%。如果采用半导体照明技术，有望使2050年的照明用电量仍维持2007年的水平，而对GDP的贡献率将上升至1.63%。不仅如此，拥有无限潜能的半导体照明技术还将在人类健康、信息、农业、航空、航天等领域发挥重要的作用，其数字化的特性也是未来智能及物联网时代的技术支撑之一，它将引起人类生产、生活方式的巨大变化，其发展前景毋庸置疑。 LED是典型的电致发光光源，是半导体照明的核心。目前，蓝光LED+黄色荧光粉合成白光光源的发光效率已经超过300lm/W(2015年实验室水平)，显色指数达到80以上。但是，作为照明光源LED仍需彻底解决以下问题： 光、电、色参数随电流、温度的改变而变化； 即使发光效率达到300lm/W，其外量子效率也仅在50%左右，即仍有50%左右的电能转化为无用的热量，若考虑整体灯具，则还需要考虑电源效率、灯具效率等因素，则发热的比例会更大。这些热量将引起LED结温的升高，不仅影响半导体照明的性能参数与质量，还将大幅降低LED的寿命，研究表明结温每升高10度，LED寿命将减少到50%。因此，LED热设计与热管理是长期的、重要的工作。 3.1LED基本原理 典型的LED芯片分为垂直结构和平面结构，如图31(a)和(b)所示。由多层不同性质的半导体材料相叠、并分别在最顶层p型层和相应的n型层上分别制作正负金属电极。半导体材料从下往上依次包括衬底层、过渡层、发光层(有源层)、 图31LED芯片垂直结构和平面结构 顶层。其中，发光层的核心是pn结，当给pn结加正向偏置时，n区的电子克服pn结势垒扩散到p区， p区的空穴克服pn结势垒扩散到n区，形成正向注入的扩散电流。同时，在耗尽区两侧分别形成过剩电子和过剩空穴(简称过剩载流子)分布。在扩散过程中，电子与空穴碰撞发生复合，即电子从导带跃迁至价带的同时释放大小等同于禁带宽度的能量，同时，跃迁过程必须保证能量守恒和电子动量守恒，即hv=Eg，Δk=0。复合包括辐射复合和非辐射复合，前者是指电子从导带跃迁至价带与空穴复合的同时释放大小等同于禁带宽度的光子，后者是指电子从导带跃迁至价带与空穴复合的同时释放大小等同于禁带宽度的若干个声子。pn结及发光过程见图32(b)。使用内量子效率ηi表征注入到发光区内的电子空穴对辐射复合发射光子的程度，所以，1-ηi表征LED发热的程度。此外，半导体材料本身均具有一定的电阻率，金属电极与半导体材料之间形成欧姆接触时也会产生接触电阻，封装芯片至管壳中也将产生一定的接触电阻。正向偏置的注入电流流经这些电阻产生的焦耳热与非辐射复合的热量一起提高了LED中pn结区域(有源区)的温度(称为LED的结温)，从而影响LED的性能。为保证LED有足够的寿命裕量，正常工作时的结温一般不应超过110℃。 本书结合LED封装和光源灯具设计制作的实际工程经验，系统论述了热设计的基本原理与方法、热特性的测试方法与评估手段，最后介绍了一种流行的热特性仿真软件。本书以发光二极管封装及光源灯具原理与热设计为主轴，将LED器件封装及光源灯具基本技术、热设计基础理论及仿真工具、LED热特性测试与评估相关知识串联整合，为读者提供了较为全面的基本原理与实际应用的入门知识，内容集学术性与应用性为一体。本书可作为高等院校相关专业本科高年级学生和研究生的教材和参考书，也可作为半导体照明行业从业人员的培训资料及相关工程技术人员的参考资料。