LED 的结温计算
LED的PN 结结温主要影响LED 光通量和寿命，本文用电压法对直插LED ，食人鱼LED 和大功率LED 的结温和热阻进行了实验研究。在测量LED 结温的同时，研究它的光谱变化，色光LED 峰值波长的偏移与其结温存在线性关系，白光LED 的总能量和蓝光能量比率（W/B）的变化与结温也存在线性的关系。
LED存在发热现象，随着LED 的工作时间和工作电流的增加，其发光强度和光通量会下降，寿命降低，对白光还会导致激发效率的下降，这主要是由于LED 结温升高导致的。对于白光LED ，随着结温的增加，LED 发出黄光和蓝光的强度以不同的速率下降, 白光LED 的总能量和蓝光能量比率（W/B）与结温存在关系。
首先对LED 的结温进行研究，由此可得到LED 的热阻。然后在测量结温的同时，测量LED 光谱变化，可以得出LED 的PN 结结温与色光LED 峰值波长或白光LED 的白色/蓝色能量比（W/B）之间存在一定的关系。因此可以采用非接触式方法来进行结温的测量。
测量原理
LED的结温是影响发光二极管各项性能指标的一个重要因素，测量LED 结温的方法可用通过测量在不同环境温度下LED 的正向电压的大小来得到。实验原理如图1所示，被测LED 置于积分球内，积分球放在恒温箱的中间，积分球内的光经石英光纤导入SSP3112快速光谱分析仪，可以快速测取LED 的峰值波长或W/B比率。将热电偶与LED 管脚紧密接触，用测温仪读取不同加热电流和不同环境温度下的管脚温度。恒温箱的温度范围为0℃-150℃，精度 1℃。PC 机通过高速开关控制对LED 的加热电流(IF)和参考电流(IFR)，并测量IF 和IFR 下的VF 和VFR 。
热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED 主要的散热路径是：管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。若LED 的结温为T J ，环境空气的温度为T A , 散热垫底部的温度为T c （T J ＞T c ＞T A 。
在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为R JC （LED 的热阻）、散热垫传导到PCB 面层敷铜层的热阻为R CB 、P CB 传导到环境空气的热阻为R BA , 则从管芯的结温T J 传导到空气T A 的总热阻R JA 与各热阻关系为：R JA =RJC +RCB +RBA 各热阻的单位是℃/W。 可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。
如果LED 的散热垫与PCB 的敷铜层采用回流焊焊在一起，则R CB =0，则上式可写成：R JA =RJC +RBA 散热的计算公式
若结温为T J 、环境温度为T A 、LED 的功耗为P D , 则R JA 与T J 、T A 及P D 的关系为：R JA =（T J －T A ）/PD (1)
式中P D 的单位是W 。P D 与LED 的正向压降V Ｆ及LED 的正向电流I Ｆ的关系为：P Ｄ=VＦ×I Ｆ (2)
如果已测出LED 散热垫的温度T C ，则(1)式可写成： R ＪＡ=(TJ －T C )/PD +(TC －T A )/PD 则R ＪC =(TJ －T C )/PD (3) R ＢＡ=(TC －T A )/PD (4)
在散热计算中，当选择了大功率LED 后，从数据资料中可找到其R JC 值；当确定LED 的正向电流I F 后，根据LED 的V F 可计算出P D ；若已测出T C 的温度，则按（3）式可求出T J 来。
在测T C 前，先要做一个实验板（选择某种PCB 、确定一定的面积）、焊上LED 、输入I F 电流，等稳定后，用K 型热电偶 点温度计测LED 的散热垫温度T C 。
在（4）式中，T C 及T A 可以测出，P D 可以求出，则R BA 值可以计算出 来。若计算出T J 来，代入（1）式可求出R JA 。
这种通过试验、计算出T J 方法是基于用某种PCB 及一定散热面积。如果计算出来的T J 小于要求（或等于）T J max ，则可认为选择的PCB 及面积合适；若计算来的T J 大于要求的T J max ，则要更换散热性能更好的PCB ，或者增加PCB 的散热面积。
另外，若选择的LED 的R JC 值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且R JC 值更小的大功率LED ，使满足计算出来的T J ≤T J max 。这一点在计算举例中说明。 计算举例
这里采用了NICHIA 公司的测量T C 的实例中取部分数据作为计算举例。已知条件如下：
LED ：3W 白光LED 、型号MCCW022、R JC =16℃/W。K 型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。
PCB 试验板：双层敷铜板（40×40mm ）、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积1600mm2。
LED 工作状态：I Ｆ=500mA、V Ｆ = 3.97V。
按图9用K 型热电偶点温度计测T C ，T C =71℃。测试时环境温度T A = 25℃. 1.T J 计算
T J =RJC ×P D +TC =RJC （I F ×V F ）+TC =16℃/W（500mA ×3.97V ）+71℃=103℃
2.R C Ａ计算
R CA =（T C －T A ）/PD =（71℃－25℃）/1.99W =23.1℃/W 3.R ＪＡ计算
R JA =RJC +RBA =16℃/W+23.1℃/W=39.1℃/W
如果设计的T J max=90℃，则按上述条件计算出来的T J 不能满足设计要求，需要改换散热更好的PCB 或增大散热面积，并再一次试验及计算，直到满足T J ≤T J max 为止。
另外一种方法是，在采用的LED 的R JC 值太大时，若更换新型同类产品R JC =9℃/W(IF =500mA时V F =3.65V)，其他条件不变，T J 计算为： T J =9℃/W（500mA ×3.65V ）+71℃=87.4℃
上式计算中71℃有一些误差，应焊上新的9℃/W的LED 重新测T C （测出的值比71℃略小）。这对计算影响不大。采用了9℃/W的LED 后不用改变PCB 材质及面积，其T J 符合设计的要求。
LED 温度问题
LED 光源不能超过80℃，随着LED 温度的升高，其光输出和寿命则相应降低。
表2 大功率白光LED 的结温T ，在亮度衰减70%时与寿命的关系
集成式LED 光源散热设计：
(1)光源的散热结构：大功率的LED 模块，采用特殊的绝缘陶瓷基板代替传统的PCB 板，将LED 产生的热量能够迅速通过陶瓷基板传导至散热板，并通过散热板和灯具散热(见下图) 。
根据傅立叶导热公式立叶导热公式：
以25颗LED 芯片、约30W 功率的集成式光源为例，LED 芯片面积约1mm 2，因陶瓷基板非常薄，则芯片与陶瓷基板的导热密度为 q 1=Q/A=30/5×5×10-6=1.2×10６ W/㎡
接触处的导热膏的导热率为3.0W/(m.k),平均厚度为δ=0.03mm,则陶瓷基板与芯片间的温度差为
△T1=(q1×δ)/λ=(1.2×106×0.03×10-3)/3=12℃
陶瓷基板尺寸为直径30mm 的圆，则导热铝板与陶瓷基板的导热密度为
q2=30/（π15×15×10-6）=(2/15π) ×106 W/㎡
接触处的导热膏的导热率为3.0W/(m.k),平均厚度为δ=0.03mm,则陶瓷基板与导热铝板间的温度差为
△T2=（q2×δ)/λ=(2/15π) ×106×0.03×10-3 /3=4.2℃
由此可见，导热铝板与LED 结温相差16.2℃，考虑制造误差，按导热铝板比LED 结温低18-20℃计算，所以，要使光源寿命(光衰到70%)在30000小时，LED 导热板的温度应低于60℃。
灯具的散热结构: 超大功率LED 散热板直接与灯具外壳接合，并在灯具的外壳上增加散热筋，以增加散热面积，使LED 的工作温
度满足其要求，以保证寿命和光衰的要求。
下表为GGE802-SL2X30W LED光源装入灯具内实测的温度值
由此可见，LED 路灯在环境温度为30℃左右时，导热铝板的温度稳定在65-66℃，此时LED 结温应在85℃左右，根据表2可查出，此路灯LED 光源的理论的使用寿命(光衰到70%)为29500小时。
集成式LED 路灯配光问题
LED 为180度定向发光，配光如下图：
传统光源有60%以上的光线要通过二次或二次以上反射才能达到配光要求，而LED 则只有30%的光线通过二次反射，LED 灯具效率要高于传统光源
配光问题通过将精确设计的塑料透镜直接封装在LED 芯片上得以很好的解决，并且减少原来在LED 上加透镜的加工误差(误差值仅为0.1mm) 。其配光曲线如下：
其次，灯具的散热问题通过直接散热结构和对流散热结构解决。(1)直接散热结构：将LED 的铜柱与灯体外壳之间通过导热片直接贴在
一起，实现了LED 的铜柱与灯体外壳之间通过导热片直接散热，因此从LED 芯片到空气的传热过程只通过三层阶段，散热效果好。经测试用相同的LED 、相同的材质，这种直接散热结构下的LED 芯片比传统的散热结构的LED 芯片低了3-5%(结构如下图) 。
1、 灯体(散热器) 3、LED 散热铜柱(封装件) 4、LED 芯片 5、透镜 注：铜柱与芯片间涂有耐高温、高导热率的硅胶
根据上面的傅立叶公式，因LED 光源为分散式点阵排列，30颗LED 的分布面积与1颗LED 相应成倍增加，以单颗LED 芯片、约1W 光源计算，则温升与30颗相同，LED 芯片面积约1mm 2，导热铜柱尺寸为φ4mm ，则芯片与铜柱的导热密度为 q1=1/1×1×10－６=10６ W/㎡
接触处的导热膏的导热率为3.0W/(m.k),平均厚度为δ=0.03mm,则导热铜柱与芯片间的温度差为
△ T1=(q1×δ)/λ= (106×0.03×10-3 )/3=10℃
考虑制造误差，LED 底部导热铜柱应比LED 结温低13-15℃，所以，要使光源寿命(光衰到70%)在30000小时，根据表2可知，LED 导热铜柱的温度应低于65℃。
导热铜柱尺寸为φ4mm ，则灯体(散热器) 与导热铜柱的导热密度为：q2=1/π2× 2×10-6=(0.25/π) ×106 W/㎡
接触处的导热片的导热率为3.0W/(m.k),平均厚度为δ=0.3mm,则灯体(散热器) 与导热铜柱间的温度差为
△T2=(q2×δ)/λ=( (0.25/π) ×106×0.3×10-3 ) /3=7.96℃
由此可见，灯体(散热器) 与LED 结温相差17.96℃，考虑制造误差，按灯体(散热器) 比LED 结温低20-22℃计算。
下表为LED 光源装入灯具内实测的温度值，测试环境为封闭的房间，无自然风，其导热完全靠灯体的传导和对流进行。
由此可见，灯体(散热器) 底部与铜柱的温差为8-12℃，稳定在8℃
左右，与理论值7.96℃相符。
LED 路灯在环境温度为30℃左右时，导热铜柱的温度稳定在60℃左右，此时LED 结温应在75℃左右，据表2可知，路灯LED 光源的理论使用寿命(光衰到70%时) 为39000小时，而实际装在灯杆上使用时，环境温度大部分时间会低于30℃，自然风也是必然存在，那么路灯LED 光源的实际使用寿命(光衰到70%时) 会超过39000小时。
从7月20到10月22共计92天，1104小时，平均气温大约30℃，照度衰减0.3Lux ，衰减比例0.3/9.5=3.15%，根据I=EH2/cos3γ可知，单位立体角的光通量(即光强I) 与照度E 成正比，因此，可得出，光源在1104小时的光衰为
3.15%。
从 LED 的封装材料的折射率出发，采用简化的LED 结构模型，并通过菲涅耳折射反射公式，计算各个界面的光出射效率，从而得到总的光输出效率:以及封装材料折射率对光出射效率的影响。
1模型的建立
1.1点光源假设
LED 是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，它们之间形成过渡层— p-n结，当p-n 结正向偏置时，电子和空穴将分别从n 和p 型半导体注入p-n 结，并复合而发光千21，如图1所示。假定p-n 结是一正方形发光面，面积大约为0.7 mm 2，，而LED 柱状截面面积一般为20 mm2，因而p-n 结发光面积占其4%，非常小，故可以假定p-n 结发光是一个点光源。
1.2全反射圆锥
光线从光密媒质射向光疏媒质，当入射角大于临界角时，将发生全反射。假定采用折射率为3.9的砷化嫁材料，外面的封装材料采用折射率为1.5的环氧树脂，角i c =22.60 (己假定p-n 结发光是一个点光源0) ，因此只有在i c =22.60 为半角的以
内的光子才能溢出晶片，如图2，而反射回去的光子则假定因内部吸收不再出射。
另外p-n 结点光源向下半平而发射的光子由于基底和内部吸收也假定不出射。
1.3半球形封装
为保护半导体晶片，通常用透明介质将它固定起来，称为封装。封装一般采用环氧树脂，封装的形状直接决定着输出光的分布，如图3。假定p-n 结发光是1个点光源o ， 一般LED 晶片厚度为0.5 m m 左右，由临界角可算出圆锥的底半径为r=0.2 m m，而封装半球的半径大约为2.5 m m,圆锥尺寸是它的0.8%，可忽略不计，故假定光是从p-n 结发光点0对应的o ’发出。如果采用图3所示的顶部半球形封装，晶片处于球心，可以粗略认为晶片发出的光垂直于环氧树脂一空气界面，不存在全反射，其光子溢出的损失就是反射损失，计算很方便。
2相对光强分布和光输出效率的计算
2. 1 LED晶片出射相对光强分布曲线
根据两种透明媒质界面的本征振动理论， 一束光经过两种透明媒质界面时，将分解为平行r 入射面的p 分量和垂至于入射面的s 分量，井且在反射、折射过程中，p, s 两个分量的振动是相互独立的。再由菲涅耳折射公式可知，在折射过程中p, s分量的光子透过率是不一样的，因此计算时要分别处理。
由以上发光模型，从圆锥中溢出的光子，其光分布是旋转对称的，因而可以只要选取任一通 过光轴的平面，计算出此平面。0-900的光分布就能推知整个空间的光强分布曲线。p-n 结 发射的光子入射到晶片-树脂界面上，由于反射角的存在，入射角i 1的范围在0-i c 之间，而出射角i 2为0-90o 。具体计算过程如下：
(1) 将出射角i 2以△i 2=1o 为间隔划分为90等分；
(2) 由折射公式反推对应于每一出射角下的入射角i 1；
(3) 根据菲涅耳光子透过率公式
可分别计算得到对应于每一角度下p, s分量的光子透过率ζp ζs 。；
(4) 取p-n 结的发光强度(光子密度) 为单位数量1，则出射光强为
(5)以零度出射角时的光强值为计算其它角度下的出射光强的相对值Wp ， W s,并计算它们的平均值W 由相对光强Wp, Ws，及平均值W 与角度i 2的一一对应关系，
可以得到直角坐标系下的相对光强分布曲线，并将平均值曲线与余弦值cosi 2进行比较，如图4所示。从图4
可以看出，相对光强平均值曲线基本符合余弦分布。
如果取 ：X 1= W *cosi2； Y1=W*sini2；
并以Y 1为纵坐标值，X, 为横坐标值，就可以得到极坐标系下0-90o 之间的配光曲线，
如图5，将它左右复制，就能得到-900-90o 。的配光曲线。
2.2 封装材料折射率对光输出效率的影响
采用半球形封装，从晶片发出的光近似垂直入射到环氧树脂一空气界面。根据菲涅耳折射公式，在正入射时，即i 1=i2=0。 p, s分量的光子透过率相等其中
n 2, n 0分别表示环氧树脂和空气的折射率。环氧树脂的折射率取1.5，空气的折射
率一般取1.0，这样可以
计算光子在环氧树脂一空气界面的透过率。由于p-n 结发射p, s分量的光子强度假定为1，则p-n 结在任一半平面发射的光子总数为180；对于出射光，角度间隔
o 0△i 2=1，将0-90下光强值Tp ，Ts 分别求和，得到的结果就是p 、s 分量在任一半
平面中溢出的光子数，将这两个结果都除以180，就能得到晶片一树脂界面p, s分量的光子透过率，取二者的平均值，即为晶片-树脂界面的光输出效率。
改变环氧树脂的折射率，以0.1 为间隔取空气折射率和晶片折射率之间的值，并分别求出晶片-环氧树脂界面的光输出效率和环氧树脂一空气界面的光输出效率，将二者相乘，得到对应于不同环氧树脂折射率条件下LED 的光输出效率，结果如图6。
2.3非半球形封装LED 的光强分布
所谓非半球形封装。其实顶部仍是半球，而下面增加一段圆柱，如图7，这种
形状与实际很接近。这时出射光将分为两部分，一部分是从顶部半球形射出，一部分从圆柱射出。
现假定圆柱高为1/2球半径(h= r/2)，则圆柱部分最大入射角为
arctg(1/2)=26.50。圆柱部分入射角是容易得到的，至于半球形部分，则根据正弦定理，如图7中三角形△ABO ，有：
这样可算出圆柱部分的入射角。设封装材料的折射率为1.5，经计算，全反射角为42o ，而这种形状封装的LED 的入射角都没有超过此值。根据折射定理计算出折射角，再经过一定的角度计算，可以得到出射光线相对于对称轴的角度—— 空
间方位角。
2.1中得到0o -90o 间的光强分布曲线，取空间方位角θ，及其对应的p 、s 分量相对光强值Wp, Ws ，由角θ推出入射角i 1, ，算出出射角i 2，及p, s 分量的出射
平均光强值Tp 、Ts ，取二者平均值，再计算相对值，得到0-90o 间的相对光强分布曲线，如图8。
圆柱与半球的连接处造成上图相对光强分布曲线的不光滑。根据计算结果，当圆柱高为0.5 个球半径时，光束角约为90o ，从圆柱出射的光约占总出射光通的10%，由于这部分光在实际一般是不起作用的，因此在计算效率时只要考虑顶部效率，经计算顶部出射光约占晶片总出射光的88%。以0.1为间隔取圆柱高分别是球半径的0.5-1.3
得到相同折射率、不同圆柱高的情况下的效率，见下表
3结论
从计算得到的LED 晶片的相对光强分布曲线可以看出，平面形发光p-n 结的辐射属于朗伯(Lambertian)型，即光束强度按出射角的余弦变化。说明将p-n 结简化为点光源是合理的，用菲涅耳透射率公式计算光强的方法是可靠的，得到的晶片相对光强分布曲线和这种光强计算力一法将是研究复杂封装结构LED 的基础。 从图 6中可大致看出，在忽略封装材料对光的吸收时，采用半球形封装的LED 其光输出效率随着封装材料折射率的增大而增大。但是，日前的环氧树脂封装材料的折射率一般在1.4 -1.6之间，改变有限，所以应寻找新的封装材料通过其他方法来提高LED 的光输出效率。
圆柱高对LED 效率有一定影响，主要表现在圆柱越高，侧面面积越大，光损失大，造成整体效率下降。通常为了减小侧面光损失，在晶片后面加反光杯，这样圆柱高的影响就相对小了，这将是我们下步的研究对象。
LED 的结温计算
LED的PN 结结温主要影响LED 光通量和寿命，本文用电压法对直插LED ，食人鱼LED 和大功率LED 的结温和热阻进行了实验研究。在测量LED 结温的同时，研究它的光谱变化，色光LED 峰值波长的偏移与其结温存在线性关系，白光LED 的总能量和蓝光能量比率（W/B）的变化与结温也存在线性的关系。
LED存在发热现象，随着LED 的工作时间和工作电流的增加，其发光强度和光通量会下降，寿命降低，对白光还会导致激发效率的下降，这主要是由于LED 结温升高导致的。对于白光LED ，随着结温的增加，LED 发出黄光和蓝光的强度以不同的速率下降, 白光LED 的总能量和蓝光能量比率（W/B）与结温存在关系。
首先对LED 的结温进行研究，由此可得到LED 的热阻。然后在测量结温的同时，测量LED 光谱变化，可以得出LED 的PN 结结温与色光LED 峰值波长或白光LED 的白色/蓝色能量比（W/B）之间存在一定的关系。因此可以采用非接触式方法来进行结温的测量。
测量原理
LED的结温是影响发光二极管各项性能指标的一个重要因素，测量LED 结温的方法可用通过测量在不同环境温度下LED 的正向电压的大小来得到。实验原理如图1所示，被测LED 置于积分球内，积分球放在恒温箱的中间，积分球内的光经石英光纤导入SSP3112快速光谱分析仪，可以快速测取LED 的峰值波长或W/B比率。将热电偶与LED 管脚紧密接触，用测温仪读取不同加热电流和不同环境温度下的管脚温度。恒温箱的温度范围为0℃-150℃，精度 1℃。PC 机通过高速开关控制对LED 的加热电流(IF)和参考电流(IFR)，并测量IF 和IFR 下的VF 和VFR 。
热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED 主要的散热路径是：管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。若LED 的结温为T J ，环境空气的温度为T A , 散热垫底部的温度为T c （T J ＞T c ＞T A 。
在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为R JC （LED 的热阻）、散热垫传导到PCB 面层敷铜层的热阻为R CB 、P CB 传导到环境空气的热阻为R BA , 则从管芯的结温T J 传导到空气T A 的总热阻R JA 与各热阻关系为：R JA =RJC +RCB +RBA 各热阻的单位是℃/W。 可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。
如果LED 的散热垫与PCB 的敷铜层采用回流焊焊在一起，则R CB =0，则上式可写成：R JA =RJC +RBA 散热的计算公式
若结温为T J 、环境温度为T A 、LED 的功耗为P D , 则R JA 与T J 、T A 及P D 的关系为：R JA =（T J －T A ）/PD (1)
式中P D 的单位是W 。P D 与LED 的正向压降V Ｆ及LED 的正向电流I Ｆ的关系为：P Ｄ=VＦ×I Ｆ (2)
如果已测出LED 散热垫的温度T C ，则(1)式可写成： R ＪＡ=(TJ －T C )/PD +(TC －T A )/PD 则R ＪC =(TJ －T C )/PD (3) R ＢＡ=(TC －T A )/PD (4)
在散热计算中，当选择了大功率LED 后，从数据资料中可找到其R JC 值；当确定LED 的正向电流I F 后，根据LED 的V F 可计算出P D ；若已测出T C 的温度，则按（3）式可求出T J 来。
在测T C 前，先要做一个实验板（选择某种PCB 、确定一定的面积）、焊上LED 、输入I F 电流，等稳定后，用K 型热电偶 点温度计测LED 的散热垫温度T C 。
在（4）式中，T C 及T A 可以测出，P D 可以求出，则R BA 值可以计算出 来。若计算出T J 来，代入（1）式可求出R JA 。
这种通过试验、计算出T J 方法是基于用某种PCB 及一定散热面积。如果计算出来的T J 小于要求（或等于）T J max ，则可认为选择的PCB 及面积合适；若计算来的T J 大于要求的T J max ，则要更换散热性能更好的PCB ，或者增加PCB 的散热面积。
另外，若选择的LED 的R JC 值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且R JC 值更小的大功率LED ，使满足计算出来的T J ≤T J max 。这一点在计算举例中说明。 计算举例
这里采用了NICHIA 公司的测量T C 的实例中取部分数据作为计算举例。已知条件如下：
LED ：3W 白光LED 、型号MCCW022、R JC =16℃/W。K 型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。
PCB 试验板：双层敷铜板（40×40mm ）、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积1600mm2。
LED 工作状态：I Ｆ=500mA、V Ｆ = 3.97V。
按图9用K 型热电偶点温度计测T C ，T C =71℃。测试时环境温度T A = 25℃. 1.T J 计算
T J =RJC ×P D +TC =RJC （I F ×V F ）+TC =16℃/W（500mA ×3.97V ）+71℃=103℃
2.R C Ａ计算
R CA =（T C －T A ）/PD =（71℃－25℃）/1.99W =23.1℃/W 3.R ＪＡ计算
R JA =RJC +RBA =16℃/W+23.1℃/W=39.1℃/W
如果设计的T J max=90℃，则按上述条件计算出来的T J 不能满足设计要求，需要改换散热更好的PCB 或增大散热面积，并再一次试验及计算，直到满足T J ≤T J max 为止。
另外一种方法是，在采用的LED 的R JC 值太大时，若更换新型同类产品R JC =9℃/W(IF =500mA时V F =3.65V)，其他条件不变，T J 计算为： T J =9℃/W（500mA ×3.65V ）+71℃=87.4℃
上式计算中71℃有一些误差，应焊上新的9℃/W的LED 重新测T C （测出的值比71℃略小）。这对计算影响不大。采用了9℃/W的LED 后不用改变PCB 材质及面积，其T J 符合设计的要求。
LED 温度问题
LED 光源不能超过80℃，随着LED 温度的升高，其光输出和寿命则相应降低。
表2 大功率白光LED 的结温T ，在亮度衰减70%时与寿命的关系
集成式LED 光源散热设计：
(1)光源的散热结构：大功率的LED 模块，采用特殊的绝缘陶瓷基板代替传统的PCB 板，将LED 产生的热量能够迅速通过陶瓷基板传导至散热板，并通过散热板和灯具散热(见下图) 。
根据傅立叶导热公式立叶导热公式：
以25颗LED 芯片、约30W 功率的集成式光源为例，LED 芯片面积约1mm 2，因陶瓷基板非常薄，则芯片与陶瓷基板的导热密度为 q 1=Q/A=30/5×5×10-6=1.2×10６ W/㎡
接触处的导热膏的导热率为3.0W/(m.k),平均厚度为δ=0.03mm,则陶瓷基板与芯片间的温度差为
△T1=(q1×δ)/λ=(1.2×106×0.03×10-3)/3=12℃
陶瓷基板尺寸为直径30mm 的圆，则导热铝板与陶瓷基板的导热密度为
q2=30/（π15×15×10-6）=(2/15π) ×106 W/㎡
接触处的导热膏的导热率为3.0W/(m.k),平均厚度为δ=0.03mm,则陶瓷基板与导热铝板间的温度差为
△T2=（q2×δ)/λ=(2/15π) ×106×0.03×10-3 /3=4.2℃
由此可见，导热铝板与LED 结温相差16.2℃，考虑制造误差，按导热铝板比LED 结温低18-20℃计算，所以，要使光源寿命(光衰到70%)在30000小时，LED 导热板的温度应低于60℃。
灯具的散热结构: 超大功率LED 散热板直接与灯具外壳接合，并在灯具的外壳上增加散热筋，以增加散热面积，使LED 的工作温
度满足其要求，以保证寿命和光衰的要求。
下表为GGE802-SL2X30W LED光源装入灯具内实测的温度值
由此可见，LED 路灯在环境温度为30℃左右时，导热铝板的温度稳定在65-66℃，此时LED 结温应在85℃左右，根据表2可查出，此路灯LED 光源的理论的使用寿命(光衰到70%)为29500小时。
集成式LED 路灯配光问题
LED 为180度定向发光，配光如下图：
传统光源有60%以上的光线要通过二次或二次以上反射才能达到配光要求，而LED 则只有30%的光线通过二次反射，LED 灯具效率要高于传统光源
配光问题通过将精确设计的塑料透镜直接封装在LED 芯片上得以很好的解决，并且减少原来在LED 上加透镜的加工误差(误差值仅为0.1mm) 。其配光曲线如下：
其次，灯具的散热问题通过直接散热结构和对流散热结构解决。(1)直接散热结构：将LED 的铜柱与灯体外壳之间通过导热片直接贴在
一起，实现了LED 的铜柱与灯体外壳之间通过导热片直接散热，因此从LED 芯片到空气的传热过程只通过三层阶段，散热效果好。经测试用相同的LED 、相同的材质，这种直接散热结构下的LED 芯片比传统的散热结构的LED 芯片低了3-5%(结构如下图) 。
1、 灯体(散热器) 3、LED 散热铜柱(封装件) 4、LED 芯片 5、透镜 注：铜柱与芯片间涂有耐高温、高导热率的硅胶
根据上面的傅立叶公式，因LED 光源为分散式点阵排列，30颗LED 的分布面积与1颗LED 相应成倍增加，以单颗LED 芯片、约1W 光源计算，则温升与30颗相同，LED 芯片面积约1mm 2，导热铜柱尺寸为φ4mm ，则芯片与铜柱的导热密度为 q1=1/1×1×10－６=10６ W/㎡
接触处的导热膏的导热率为3.0W/(m.k),平均厚度为δ=0.03mm,则导热铜柱与芯片间的温度差为
△ T1=(q1×δ)/λ= (106×0.03×10-3 )/3=10℃
考虑制造误差，LED 底部导热铜柱应比LED 结温低13-15℃，所以，要使光源寿命(光衰到70%)在30000小时，根据表2可知，LED 导热铜柱的温度应低于65℃。
导热铜柱尺寸为φ4mm ，则灯体(散热器) 与导热铜柱的导热密度为：q2=1/π2× 2×10-6=(0.25/π) ×106 W/㎡
接触处的导热片的导热率为3.0W/(m.k),平均厚度为δ=0.3mm,则灯体(散热器) 与导热铜柱间的温度差为
△T2=(q2×δ)/λ=( (0.25/π) ×106×0.3×10-3 ) /3=7.96℃
由此可见，灯体(散热器) 与LED 结温相差17.96℃，考虑制造误差，按灯体(散热器) 比LED 结温低20-22℃计算。
下表为LED 光源装入灯具内实测的温度值，测试环境为封闭的房间，无自然风，其导热完全靠灯体的传导和对流进行。
由此可见，灯体(散热器) 底部与铜柱的温差为8-12℃，稳定在8℃
左右，与理论值7.96℃相符。
LED 路灯在环境温度为30℃左右时，导热铜柱的温度稳定在60℃左右，此时LED 结温应在75℃左右，据表2可知，路灯LED 光源的理论使用寿命(光衰到70%时) 为39000小时，而实际装在灯杆上使用时，环境温度大部分时间会低于30℃，自然风也是必然存在，那么路灯LED 光源的实际使用寿命(光衰到70%时) 会超过39000小时。
从7月20到10月22共计92天，1104小时，平均气温大约30℃，照度衰减0.3Lux ，衰减比例0.3/9.5=3.15%，根据I=EH2/cos3γ可知，单位立体角的光通量(即光强I) 与照度E 成正比，因此，可得出，光源在1104小时的光衰为
3.15%。
从 LED 的封装材料的折射率出发，采用简化的LED 结构模型，并通过菲涅耳折射反射公式，计算各个界面的光出射效率，从而得到总的光输出效率:以及封装材料折射率对光出射效率的影响。
1模型的建立
1.1点光源假设
LED 是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，它们之间形成过渡层— p-n结，当p-n 结正向偏置时，电子和空穴将分别从n 和p 型半导体注入p-n 结，并复合而发光千21，如图1所示。假定p-n 结是一正方形发光面，面积大约为0.7 mm 2，，而LED 柱状截面面积一般为20 mm2，因而p-n 结发光面积占其4%，非常小，故可以假定p-n 结发光是一个点光源。
1.2全反射圆锥
光线从光密媒质射向光疏媒质，当入射角大于临界角时，将发生全反射。假定采用折射率为3.9的砷化嫁材料，外面的封装材料采用折射率为1.5的环氧树脂，角i c =22.60 (己假定p-n 结发光是一个点光源0) ，因此只有在i c =22.60 为半角的以
内的光子才能溢出晶片，如图2，而反射回去的光子则假定因内部吸收不再出射。
另外p-n 结点光源向下半平而发射的光子由于基底和内部吸收也假定不出射。
1.3半球形封装
为保护半导体晶片，通常用透明介质将它固定起来，称为封装。封装一般采用环氧树脂，封装的形状直接决定着输出光的分布，如图3。假定p-n 结发光是1个点光源o ， 一般LED 晶片厚度为0.5 m m 左右，由临界角可算出圆锥的底半径为r=0.2 m m，而封装半球的半径大约为2.5 m m,圆锥尺寸是它的0.8%，可忽略不计，故假定光是从p-n 结发光点0对应的o ’发出。如果采用图3所示的顶部半球形封装，晶片处于球心，可以粗略认为晶片发出的光垂直于环氧树脂一空气界面，不存在全反射，其光子溢出的损失就是反射损失，计算很方便。
2相对光强分布和光输出效率的计算
2. 1 LED晶片出射相对光强分布曲线
根据两种透明媒质界面的本征振动理论， 一束光经过两种透明媒质界面时，将分解为平行r 入射面的p 分量和垂至于入射面的s 分量，井且在反射、折射过程中，p, s 两个分量的振动是相互独立的。再由菲涅耳折射公式可知，在折射过程中p, s分量的光子透过率是不一样的，因此计算时要分别处理。
由以上发光模型，从圆锥中溢出的光子，其光分布是旋转对称的，因而可以只要选取任一通 过光轴的平面，计算出此平面。0-900的光分布就能推知整个空间的光强分布曲线。p-n 结 发射的光子入射到晶片-树脂界面上，由于反射角的存在，入射角i 1的范围在0-i c 之间，而出射角i 2为0-90o 。具体计算过程如下：
(1) 将出射角i 2以△i 2=1o 为间隔划分为90等分；
(2) 由折射公式反推对应于每一出射角下的入射角i 1；
(3) 根据菲涅耳光子透过率公式
可分别计算得到对应于每一角度下p, s分量的光子透过率ζp ζs 。；
(4) 取p-n 结的发光强度(光子密度) 为单位数量1，则出射光强为
(5)以零度出射角时的光强值为计算其它角度下的出射光强的相对值Wp ， W s,并计算它们的平均值W 由相对光强Wp, Ws，及平均值W 与角度i 2的一一对应关系，
可以得到直角坐标系下的相对光强分布曲线，并将平均值曲线与余弦值cosi 2进行比较，如图4所示。从图4
可以看出，相对光强平均值曲线基本符合余弦分布。
如果取 ：X 1= W *cosi2； Y1=W*sini2；
并以Y 1为纵坐标值，X, 为横坐标值，就可以得到极坐标系下0-90o 之间的配光曲线，
如图5，将它左右复制，就能得到-900-90o 。的配光曲线。
2.2 封装材料折射率对光输出效率的影响
采用半球形封装，从晶片发出的光近似垂直入射到环氧树脂一空气界面。根据菲涅耳折射公式，在正入射时，即i 1=i2=0。 p, s分量的光子透过率相等其中
n 2, n 0分别表示环氧树脂和空气的折射率。环氧树脂的折射率取1.5，空气的折射
率一般取1.0，这样可以
计算光子在环氧树脂一空气界面的透过率。由于p-n 结发射p, s分量的光子强度假定为1，则p-n 结在任一半平面发射的光子总数为180；对于出射光，角度间隔
o 0△i 2=1，将0-90下光强值Tp ，Ts 分别求和，得到的结果就是p 、s 分量在任一半
平面中溢出的光子数，将这两个结果都除以180，就能得到晶片一树脂界面p, s分量的光子透过率，取二者的平均值，即为晶片-树脂界面的光输出效率。
改变环氧树脂的折射率，以0.1 为间隔取空气折射率和晶片折射率之间的值，并分别求出晶片-环氧树脂界面的光输出效率和环氧树脂一空气界面的光输出效率，将二者相乘，得到对应于不同环氧树脂折射率条件下LED 的光输出效率，结果如图6。
2.3非半球形封装LED 的光强分布
所谓非半球形封装。其实顶部仍是半球，而下面增加一段圆柱，如图7，这种
形状与实际很接近。这时出射光将分为两部分，一部分是从顶部半球形射出，一部分从圆柱射出。
现假定圆柱高为1/2球半径(h= r/2)，则圆柱部分最大入射角为
arctg(1/2)=26.50。圆柱部分入射角是容易得到的，至于半球形部分，则根据正弦定理，如图7中三角形△ABO ，有：
这样可算出圆柱部分的入射角。设封装材料的折射率为1.5，经计算，全反射角为42o ，而这种形状封装的LED 的入射角都没有超过此值。根据折射定理计算出折射角，再经过一定的角度计算，可以得到出射光线相对于对称轴的角度—— 空
间方位角。
2.1中得到0o -90o 间的光强分布曲线，取空间方位角θ，及其对应的p 、s 分量相对光强值Wp, Ws ，由角θ推出入射角i 1, ，算出出射角i 2，及p, s 分量的出射
平均光强值Tp 、Ts ，取二者平均值，再计算相对值，得到0-90o 间的相对光强分布曲线，如图8。
圆柱与半球的连接处造成上图相对光强分布曲线的不光滑。根据计算结果，当圆柱高为0.5 个球半径时，光束角约为90o ，从圆柱出射的光约占总出射光通的10%，由于这部分光在实际一般是不起作用的，因此在计算效率时只要考虑顶部效率，经计算顶部出射光约占晶片总出射光的88%。以0.1为间隔取圆柱高分别是球半径的0.5-1.3
得到相同折射率、不同圆柱高的情况下的效率，见下表
3结论
从计算得到的LED 晶片的相对光强分布曲线可以看出，平面形发光p-n 结的辐射属于朗伯(Lambertian)型，即光束强度按出射角的余弦变化。说明将p-n 结简化为点光源是合理的，用菲涅耳透射率公式计算光强的方法是可靠的，得到的晶片相对光强分布曲线和这种光强计算力一法将是研究复杂封装结构LED 的基础。 从图 6中可大致看出，在忽略封装材料对光的吸收时，采用半球形封装的LED 其光输出效率随着封装材料折射率的增大而增大。但是，日前的环氧树脂封装材料的折射率一般在1.4 -1.6之间，改变有限，所以应寻找新的封装材料通过其他方法来提高LED 的光输出效率。
圆柱高对LED 效率有一定影响，主要表现在圆柱越高，侧面面积越大，光损失大，造成整体效率下降。通常为了减小侧面光损失，在晶片后面加反光杯，这样圆柱高的影响就相对小了，这将是我们下步的研究对象。