眾所周知，LED的發光特性與其工作條件有很大關系。應用在LED上的前向電流是主要的影響因素，電流越高，LED產生的光通量也越多。令人感到遺憾的是，LED是由一個恒定的電流源進行驅動的，當LED的溫度上升時，它的光輸出也會急劇下降。圖1所示的是常見的LED基本參數對于輸出光譜的影響。此外，本圖也說明了LED的效率和發光顏色也會在峰值波長處發生偏移。

圖1：電流和溫度對紅色LED輸出光譜的影響（點擊圖片放大）

　　LED熱特性的重要性

　　由于LED的光輸出會隨著溫度發生變化，所以良好的熱管理是功率LED照明" title="LED照明">LED照明應用的一個重要問題。通過降低LED的溫度，我們可以使其保持較高的效率。在實際的應用環境中，LED溫度越低，其輸出的流明也越多。

　　這就意味著在LED在實際應用中，其結點至環境的真實熱阻" title="熱阻">熱阻是LED照明設計的一個重要因素。令人感到遺憾的是，不同LED供應商提供的產品熱阻和其它與溫度相關的特性參數五花八門。因此，不同的熱標準機構也已經開始進行LED熱管理的相關標準制定工作。現今，JEDECJC15協會正在起草一部關于LED熱阻測量的新標準。此外，國際照明協會（International Lighting Committee）成立了兩個新的技術協會（TC-2-63和TC-2-64），以處理LED熱方面的問題。在這些協會之間逐漸達成了一個共識，那就是供應商在采用公式1計算LED熱阻時，必須考慮實際的光功率Popt（換而言之，輻射光通量）：

　　公式中LED前向電流和前向電壓（IFxVF）的乘積是LED工作所需要的電功率，ΔTj是LED的結溫變化量。

　　當確定LED熱阻的時候忽略光功率會得到比LED實際應用更低的熱阻。如果LED照明設計師使用這些數據去計算LED燈的光輸出量，其結果是他們的設計往往無法滿足實際的光輸出量的要求。實際情況中的熱阻會更高，相應地LED結溫也會更高。由此，實際LED照明設備發出的光通量會比預期要低。獲取LED實際的熱特性數據是成功設計LED的關鍵。

　　熱特性：仿真和物理測試

　　熱仿真可以幫助設計師了解他們LED產品的散熱狀況。因為LED光源發出的熱量一般都通過自然對流的方式進入到周圍環境中，CFD分析工具是用以確定不同設計方案散熱性能所必須的。

圖2：使用FloEFD對改進的MR16進行CFD分析（點擊圖片放大）

　　圖2顯示了在JEDEC標準自然對流測試環境中的一個改進MR16LED燈的熱仿真結果。

圖3：使用Tr3ster對改進的MR16進行測試（點擊圖片放大）

　　為了建立精確的熱仿真模型，所以必須確定實際應用中的LED熱阻值。實際應用中的LED熱阻值通常可以由Tr3ster等測量儀器完成。Tr3ster是Mentor Graphics MicReD團隊開發的產品。圖3是圖2中LED熱測試所使用的測試設備。

　　圖4是由Tr3ster熱瞬態測試儀測量得到的LED結溫和Zth的關系曲線。這個測試結果可以被用于獲得LED導熱路徑上的詳細結構信息，這里所指的導熱路徑主要是指LED的PN結至環境之間的熱量傳遞路徑。這些詳細的結構信息以熱阻和熱容的關系曲線形式描述。這類曲線也被稱之為結構函數。結構函數可以幫助設計師確定整個LED散熱設計的每一部分的熱阻，其中包括了LED結點，TIM，散熱器或者照明設備。

圖4：自然對流環境條件下使用兩種不同插槽改進的MR16熱阻抗曲線（點擊圖片放大）

　　圖5顯示了整個LED照片設備中結點至環境總熱阻的50%是由于LED自身所引起的。結構函數不僅僅能幫助結構分析（例如，dieattach失效探測），而且可以幫助生成封裝元件動態的簡化熱模型。這類簡化模型可以直接被CFD軟件所使用。（一些半導體供應商也已經開始提供它們產品熱性能的瞬態模型）

圖5：改進的MR16中各部分在總熱阻的影響和結構函數（點擊圖片放大）

圖6：功率LED熱和光同時測量

　　熱和光度聯合測量

　　圖4和圖5提供了一些對于解釋非常有用的對比結果，而且對于實際的設計工作而言，熱特性數據是必須的。所以，當計算實際的熱阻值時，必須清楚地了解LED的光功率。

　　為了獲得這方面的信息，一個熱測試設備（符合應用熱測試標準[3]）必須具備測試LED光功率的功能。LED光功率測試必須遵從CIE協會的相關標準[4]。圖6是這樣一個測試系統的描述。Tr3ster熱測試儀器對處于TERALED系統中的被測試LED提供一個電功率，TERA LED是一個由累計球和探測器組成的自動光度測量裝置。另外，整個系統中還包括電控制和測試數據處理軟件。LED助推器（圖6左邊的小盒子）讓系統測試多芯片高前向電壓（VF>10V）的LED。

　　通過Tr3ster對LED進行測量，我們可以在獲得LED熱阻的同時，也獲得輻射通量，光通量，光輸出特性，染色性等數據。我們可以在不同的參考溫度和前向電流條件下，測量這些LED特性值。

　　在光度測量過程中加入熱瞬態測試不會明顯增加測試時間。如今功率LED在被貼附到冷板之后，通常可以在30~60S之內達到穩定的溫度。所以，光度測量過程中包含熱瞬態測試不會增加許多測試時間。

　　參考溫度的影響

　　比較棘手的是，LED總的熱阻值與環境溫度有很大的關系。這就意味著當預測LED散熱性能時，必須注明測試環境（參考溫度）。如果光度測量和熱阻測量同時進行，則參考溫度就是冷板的溫度。

　　LED說明書中的數據是基于環境溫度25oC，但往往LED的實際工作環境溫度為50oC，最高甚至可以達到80oC。其結溫的范圍可能在80oC~110oC的范圍。較高的LED工作溫度會導致LED光通量的大幅下降。

　　圖7顯示了CreeMCE系列白色LED光通量和參考溫度的關系，這些測試主要基于兩種不同的散熱設計方案。測試主要由兩塊不同的PCB，一個金屬芯片和FR4裝置所組成。此外，PCB和散熱器之間使用了不同的導熱界面材料。當散熱器溫度不斷增加，光通量不斷下降。

　　因為兩次測試使用一樣的LED，所以預計的測試結果是兩條平行的曲線，但實際情況并非如此。總的結點至環境的熱阻也隨著參考溫度的變化而變化。圖8的結構函數也表明熱流路徑隨溫度變化。其中最初的1.5K/W的熱阻是有LED內部封裝所引起的。之后的熱阻部分對應于PCB和位于PCB與LED封裝之間的TIM材料。最后一部分是PCB與散熱器之間的導熱界面材料。在TG2500樣品的測試中，兩層TIM材料都顯示出其熱阻與溫度有很大關系，從而導致了總熱阻有20%的變化。圖8中的結構函數被對應到LED的各個組成部分。

圖7：使用兩種不同的散熱設計，6W白色LED參考溫度和光通量的關系

圖8：在15oC到85oC范圍內6WLED的結構函數

　　光通量是真實結溫的函數

　　一旦獲得了LED每一個參考溫度下的熱損耗和參考溫度值，通過公式2可以計算出實際LED結溫：

　　其中，Pheat=IFxVF(Tref)-Popt(Tref)也是公式1中使用的，RthJA是測量的熱阻值。如果將圖7中的測試數據進行重新處理，將光通量作為LED結溫的函數，我們發現兩種測試的結果幾乎一致（如圖9所示）。兩條幾乎重合的光通量和結溫的曲線表明，在我們兩種測試中LED芯片和其封裝有著一樣的光輸出特性。

圖9：使用兩種不同的散熱設計，6W白色LED結點溫度和光通量的關系

　　結論

　　溫度是LED照明設備性能的一個重要影響因素，不僅僅影響其預期工作壽命而且決定其工作性能。更低的工作溫度可以獲得更多的光通量。由于絕大多數的LED供應商沒有將LED熱阻測試和光度測試同時進行。所以，如今的LED說明書中無法提供LED真實的熱阻值。因此，LED供應商提供的熱阻值要比LED實際應用中的熱阻值要低。如果想要通過CFD仿真的方式獲得LED的熱性能，那么知道LED的真實熱阻值是必須的。如果沒有這方面的信息，那么結合光度測量和熱瞬態測試，并且再進行一些測試數據處理就可以獲得熱阻的相關信息。

　　很少有LED說明書會注明各種溫度下光輸出特性。通過確定測試中LED的熱阻和熱損耗，可以將光輸出特性描述成真實結溫的函數。這就可以消除測試過程中不同環境溫度對于實際熱阻的影響。當光輸出特性可以與實際的結溫相對應，那么精確地比較不同的LED照明設備也就成為可能。