大功率LED產生熱量的核心原因在于其電光轉換過程中的能量損耗，具體可分為以下機理和影響因素：

一、根本原因：電光轉換效率不足

理論極限：
LED的電光轉換效率（Wall-Plug Efficiency）通常為30%~50%，剩余能量以熱量形式耗散。

示例：一顆100W的UVLED芯片，僅30~50W轉化為紫外光，其余50~70W變為熱能。

能量損耗環節：

斯托克斯損耗（Stokes Loss）：
半導體材料中，電子從高能級躍遷到低能級時，部分能量以晶格振動（熱能）形式釋放，而非全部轉化為光子。

載流子非輻射復合：
電子與空穴復合時，若通過缺陷或雜質中心（而非發光躍遷），能量直接轉化為熱。

焦耳熱（Joule Heating）：
電流通過LED芯片的電阻（如電極、半導體體電阻）時產生歐姆損耗。

二、大功率LED的額外熱源

高電流密度下的效率下降：

大功率LED通常需要高驅動電流（如1A以上），電流增大時：

載流子泄漏：部分電子越過有源區，未參與發光。

效率驟降（Droop效應）：氮化物LED（如GaN）在電流密度超過臨界值后，發光效率顯著降低，發熱比例升高。

封裝熱阻（Thermal Resistance）：

熱量從LED芯片傳遞到散熱器的路徑中存在多層材料（如焊料、基板），每層熱阻疊加導致熱堆積。

典型熱阻鏈：
芯片→焊層→陶瓷基板→導熱膠→散熱器，總熱阻可能達5~10°C/W。

三、熱量對LED的直接影響

性能劣化：

波長偏移：溫度每升高10°C，LED峰值波長紅移約1~2nm（影響紫外固化精度）。

光輸出衰減：結溫（Tj）超過85°C時，亮度加速下降（壽命公式：壽命∝e^(-Tj)）。

可靠性風險：

熱應力：材料熱膨脹系數不匹配導致分層或焊點開裂。

電極遷移：高溫加速金屬原子擴散，造成電極失效。

四、改善散熱的工程方案

芯片級優化：

倒裝芯片（Flip-Chip）設計：縮短熱路徑，降低熱阻。

微通道散熱：在芯片襯底集成微米級冷卻通道。

封裝技術：

高導熱基板：如氮化鋁（AlN，導熱率~200W/mK）或金屬基板（銅/鋁）。

共晶焊（Eutectic Bonding）：替代導熱膠，減少界面熱阻。

系統級散熱：

熱管/均溫板：快速擴散局部熱點。

液冷（Liquid Cooling）：用于千瓦級UVLED陣列。

五、用戶選型建議

關注熱阻參數：選擇結殼熱阻（Rθj-c）≤1°C/W的LED模塊。

避免超電流驅動：按廠商規格書操作，防止Droop效應加劇發熱。

總結

大功率LED的熱量源于量子效率極限和非理想能量轉換，通過材料、封裝與散熱系統的協同設計可有效控制溫升。對于紫外固化應用，維持低溫運行是保障波長穩定性和壽命的關鍵。