LED熱特性檢測技術(shù)2014-2015李老師LED芯片檢測技術(shù)考試論文

1、LED熱特性檢測技術(shù) 2014-2015五邑大學(xué) 李老師的LED芯片檢測技術(shù)期末考試論文摘要：結(jié)溫過高會(huì)造成正向壓降改變、色溫變化、渡長紅移、光電轉(zhuǎn)換效率變低等，影響其光度、色度和“電氣參數(shù)”。為了設(shè)計(jì)的的光效高，性能穩(wěn)定，我們必須對(duì)的熱學(xué)性能進(jìn)行檢測，從而更好地設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，散熱器等。關(guān)鍵詞：LED 大功率 結(jié)溫 熱阻 熱特性一、前言固態(tài)照明被認(rèn)為是2l世紀(jì)最具發(fā)展前景的照明光源之一由于發(fā)光二級(jí)管(LED)體積小、壽命長、節(jié)能環(huán)保、發(fā)光效率高、色度純、可靠性高已廣泛進(jìn)入信號(hào)指示、交通及航空工具照明、大屏幕顯示等應(yīng)用領(lǐng)域，并將在室內(nèi)外日常照明中扮演越來越重要的角色。近年來，大功率LED發(fā)展較快，

2、在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大的改進(jìn)，產(chǎn)量上升、價(jià)格下降；還開發(fā)出單顆功率為100W的超大功率白光LED。與前幾年相比較，在發(fā)光效率上有長足的進(jìn)步。例如，Edison公司前幾年的20W白光LED，其光通量為700lm，發(fā)光效率為35lm/W。2007年開發(fā)的100W白光LED，其光通量為6000lm，發(fā)光效率為60lm/W。又例如，Cree公司新推出的XLamp XRE冷白光LED，其最高亮度擋QS在350mA時(shí)光通量可達(dá)107114lm。這些性能良好的大功率LED給開發(fā)LED白光照明燈具創(chuàng)造了條件。然而，大功率LED工作電流的增加會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，引起LED芯片pn結(jié)結(jié)溫的顯著變化，對(duì)LED的性能產(chǎn)

3、生重要的影響。造成正向壓降改變、色溫變化、渡長紅移、光電轉(zhuǎn)換效率變低等，影響其光度、色度和“電氣參數(shù)”。為了設(shè)計(jì)的的光效高，性能穩(wěn)定，我們必須對(duì)的熱學(xué)性能進(jìn)行檢測，從而更好地設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，散熱器等。LED 的熱學(xué)特性主要包括LED 結(jié)溫、熱阻、瞬態(tài)變化曲線（加熱曲線、冷卻曲線）等。結(jié)溫是指LED 的PN 結(jié)溫度，熱阻是指LED 散熱通道上的溫度差與該通道上的耗散功率之比，用于表征LED 的散熱能力，熱阻是決定LED光電特性及壽命的重要參數(shù)，熱阻過大會(huì)直接導(dǎo)致LED結(jié)溫偏高，加速芯片老化。研究表明，LED 的熱阻越低其散熱性能越好，相應(yīng)的LED 光效一般也越高，壽命越長。二、LED結(jié)溫產(chǎn)生的原因結(jié)

4、溫形成是由于LED空穴、電子運(yùn)動(dòng)，一部分能量產(chǎn)生有效的光電效應(yīng)，發(fā)出光子；另一部分是以發(fā)熱的形式消耗掉了，從而導(dǎo)致PN結(jié)區(qū)芯片發(fā)熱。對(duì)于一個(gè)封裝好的LED發(fā)光管來講，產(chǎn)生結(jié)溫有兩個(gè)原因，其一為出光效率低，說明大多數(shù)電能轉(zhuǎn)換成熱能，產(chǎn)生了結(jié)溫，其二為LED封裝的散熱能力。散熱能力是產(chǎn)生結(jié)溫高低的關(guān)鍵條件，散熱能力強(qiáng)，結(jié)溫下降，反之散熱能力差時(shí)結(jié)溫將上升，其結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致出光效率更低，更進(jìn)一步推動(dòng)結(jié)溫的上升。說明在相同的環(huán)境，熱阻小(即散熱能力強(qiáng))，光通量幾乎與正電流成正比例增加。三、熱阻模型LED熱阻可表示為式中：R為LED的pn結(jié)至參考位置的熱阻；為p結(jié)溫度；為參考點(diǎn)溫度；P為熱耗散功率，其值為

5、總耗散功率(，即LED正向電流與正向電壓乘積與光功率P的差值。對(duì)于不同類型、制作工藝及功率的LED器件，電光轉(zhuǎn)換效率相差較大，因此在計(jì)算LED熱阻時(shí)需考慮光功率的影響。在功率型LED應(yīng)用中，典型的封裝結(jié)構(gòu)如下圖所示。LED通過高散熱性能的界面材料粘結(jié)在金屬電路板(MCPCB)上，散熱器(外部熱沉)安裝在金屬線路板的另外一面上。圖中所示LED的熱學(xué)模型為pn結(jié)一內(nèi)部熱沉一金屬線路板一外部熱沉。用熱阻模型對(duì)功率型LED主要熱流路徑上的熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行描述，如下圖所示。LED器件的總熱阻可以表示為pn結(jié)至外部環(huán)境熱路上的熱阻之和，即式中：R為pn結(jié)到外部環(huán)境的熱阻；R為pn結(jié)到LED內(nèi)部熱沉的熱阻；為

6、內(nèi)部熱沉到金屬線路板之間的熱阻；R為金屬線路板到環(huán)境的熱阻。四、LED結(jié)溫對(duì)光電性能的影響LED結(jié)溫在高于正常能承受的溫度125時(shí)。產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久性的衰變，通常有三種原因促使高溫下LED輸出性能的永久性衰減。其一，由于各外延層之間存在著或多或少的晶格失配，從而在界面上形成大量的諸如位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷。在較高溫度時(shí)，這些缺陷會(huì)快速增殖、繁衍，直至侵入發(fā)光區(qū)，形成大量的非輻射復(fù)合中心，嚴(yán)重降低器件的注入效率與發(fā)光效率；其二，在高溫條件下，材料內(nèi)的微缺陷及來自界面與電極的快速擴(kuò)散雜質(zhì)也會(huì)引入發(fā)光區(qū)，形成大量的深能級(jí)，同樣會(huì)加速LED器件性能的衰變；其三，高溫時(shí)，LED封裝環(huán)氧膠的變性、發(fā)黃，出光效率

7、下降衰減。通常，LED用的封裝環(huán)氧膠存在著一個(gè)重要特性，即當(dāng)環(huán)氧膠溫度超過一個(gè)特定溫度L=1 25時(shí)，封裝環(huán)氧的特性將從一種鋼性的類玻璃狀態(tài)轉(zhuǎn)變成一種柔軟的似橡膠態(tài)狀的物質(zhì)。此時(shí)材料的膨脹系數(shù)急劇增加，形成一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，這個(gè)拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫變即為環(huán)氧樹脂的玻璃狀轉(zhuǎn)化溫度，其值通常為1 25。當(dāng)器件在此溫度附近或高于此溫度變化時(shí)，將發(fā)生明顯的膨脹或收縮，致使芯片電極與引線受到額外的應(yīng)力而發(fā)生過度疲勞乃至脫落損壞，造成LED永久性損壞。顯然工作溫度越高，這種過程將越快。五、LED 燈具工作結(jié)溫檢測原理和方法結(jié)溫、熱阻的大小成為衡量LED熱學(xué)特性的最重要指標(biāo)。因此，快速、準(zhǔn)確的測試LED的結(jié)溫和熱阻

8、成為有效熱管理的重要前提。目前LED熱學(xué)測試的主要方法有紅外熱成像法、電學(xué)參數(shù)法、瞬態(tài)熱測試法、光譜及光功率法、管腳溫度法等。這些方法基于不同的原理測量或推導(dǎo)出LED的結(jié)溫及熱阻。LED 作為一種典型的半導(dǎo)體器件，具有典型的V-I 曲線特性，如下圖所示LED 的VF 與IF 的關(guān)系一般按照如公式(1) 所示，利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)并對(duì)兩邊進(jìn)行運(yùn)算可以得到公式(5)，即溫度變化對(duì)于VF 值變化的關(guān)系。其中q-電子電荷量，IF(0)-起始電流，T-絕對(duì)溫度，VF-前置電壓，K-波爾茲曼常數(shù)推導(dǎo)得到：其中 即為溫度敏感系數(shù)()。由下式得到：式中，VL 為低結(jié)溫TL（如25）時(shí)LED 在測量電流IM（小電流）下

9、的正向電壓，VH 為高結(jié)溫TH（如100）時(shí)LED 在測量電流IM 下的正向電壓。在溫度系數(shù)耳的測量過程中，由于測量延遲的存在以及非熱切換效應(yīng)的影響，需以玲卻曲線來矯正測量結(jié)果，同時(shí)選取消除了非熱切換效應(yīng)的數(shù)據(jù)來擬合冷卻曲線。由于溫度系數(shù)還是一個(gè)隨輸入電流密度變化的物理量，如果LED工作電流發(fā)生了變化應(yīng)重新對(duì)溫度系數(shù)K進(jìn)行標(biāo)定。測試原理圖如下：LED 結(jié)溫測量的時(shí)序如圖所示：1）首先對(duì)LED 正向施加測試電流IM，測量正向結(jié)電壓VFI；2）用加熱電流IH 取代IM 加到待測LED 兩端，加熱一定時(shí)間（tH）待LED達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，測量所測LED 散熱通道上的熱耗散功率（PH）；3） 再用IM 迅

10、速取代IH 加到待測LED 兩端，并測得正向結(jié)壓降（VFF）；4） 計(jì)算LED 的結(jié)溫和熱阻：根據(jù)上述原理，結(jié)溫計(jì)算公式為：熱阻計(jì)算公式為式中， 為初始溫度，為散熱通道上指定點(diǎn)的溫度，例如，環(huán)境溫度或外殼溫度。對(duì)于LED，輸入的電功率一部分用于LED 發(fā)光，另一部分產(chǎn)生熱量，而熱耗散功率PH 往往很難從總輸入電功率中區(qū)分出來，因此為方便和簡化測量，QB/T 4057-2010 提出了“參考熱阻”的概念，即使用輸入總功率替代式（4）中的熱耗散功率?！皡⒖紵嶙琛庇捎跍y量方便，復(fù)現(xiàn)性好，得到了越來越多的應(yīng)用。六、檢測設(shè)備概述 熱特性檢測設(shè)備和熱光電綜合測試系統(tǒng)根據(jù)上述所討論的熱特性檢測方法，其技術(shù)難

11、點(diǎn)在于對(duì)測試設(shè)備性能要求很高：電流切換和采樣速率必須足夠快、電壓測量精度要高且LED 的外部溫度必須能穩(wěn)定控制。國際上匈牙利的T3Ster LED 熱阻測試系統(tǒng)和美國的Phase11 熱阻分析儀能基本滿足要求，但這兩款儀器的價(jià)格昂貴，給工業(yè)檢測帶來經(jīng)濟(jì)障礙。中國遠(yuǎn)方公司在對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的深入研究基礎(chǔ)上，根據(jù)LED 的特點(diǎn)，開發(fā)出滿足上述技術(shù)要求的檢測設(shè)備HEO-200 熱電測試系統(tǒng)，價(jià)格較國外設(shè)備大幅降低。HEO-200 采用MOS（Metal Oxide Semiconductor）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電流的切換，切換時(shí)間小于10s，能有效避免結(jié)溫冷卻帶來的試驗(yàn)誤差。在對(duì)瞬態(tài)數(shù)據(jù)的采集中，采用循環(huán)測試法，

12、通過在極短時(shí)間內(nèi)斷開加熱電流情況下快速采集數(shù)據(jù)以得到瞬態(tài)變化數(shù)據(jù)，并配以1MHz/s 的采樣速度，采集瞬態(tài)數(shù)據(jù)的精度高達(dá)1s，保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)實(shí)物如下圖所示，包括測試主機(jī)、靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱以及專業(yè)測量分析軟件等，在系統(tǒng)工作中，為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用內(nèi)置的恒流源給LED 提供電壓，確保LED 發(fā)光穩(wěn)定。該套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)溫、熱阻（瞬態(tài)熱阻、穩(wěn)態(tài)熱阻）、加熱曲線和冷卻曲線的準(zhǔn)確測量。LED 熱特性檢測設(shè)備為實(shí)現(xiàn)LED 的光色參數(shù)隨結(jié)溫變化曲線的測量以及不計(jì)發(fā)光功率的熱阻測量，在上述系統(tǒng)基礎(chǔ)上，配置具有同步觸發(fā)功能的高精度快速光譜儀和積分球來實(shí)現(xiàn)光色參數(shù)的測量。由于直接測量存在困難，對(duì)LED 的熱學(xué)特性評(píng)價(jià)具有挑戰(zhàn)。然而這性能的精確檢測確是評(píng)價(jià)當(dāng)前LED 水平的重要依據(jù)。我國已經(jīng)對(duì)這個(gè)重要性能的測試做了較為深入的研究，并自主開發(fā)了相關(guān)測試設(shè)備，能夠滿足目前國內(nèi)外各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，使我國工業(yè)界能夠進(jìn)行高精度、低成本的熱特性性能檢測。當(dāng)然，隨著的不斷發(fā)展，的性能將會(huì)進(jìn)一步提高，的各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)會(huì)進(jìn)一步增加和提高，不過，無論怎樣，的熱性能檢