LED熱學參數(shù)測試研究

1、LED熱學參數(shù)測試研究熱學參數(shù)測試研究 浙江大學光電系浙江大學光電系 鮑鮑 超超引言引言 LED器件的熱學性能會直接影響到器件發(fā)光器件的熱學性能會直接影響到器件發(fā)光效率、強度、光譜特性、工作穩(wěn)定性和使效率、強度、光譜特性、工作穩(wěn)定性和使用壽命。因此對用壽命。因此對LED器件的熱學參數(shù)進行器件的熱學參數(shù)進行分析研究，采用標準化的方法進行測量，分析研究，采用標準化的方法進行測量，滿足檢測中心和企業(yè)需要滿足檢測中心和企業(yè)需要;同時為滿足仲裁同時為滿足仲裁測試、數(shù)據(jù)報告等組建公共測試平臺測試、數(shù)據(jù)報告等組建公共測試平臺, 開發(fā)開發(fā)商業(yè)化的測量設(shè)備，這些都是半導體照明商業(yè)化的測量設(shè)備，這些都是半導體照明

2、工程中的一項關(guān)鍵性工作。工程中的一項關(guān)鍵性工作。 熱阻基本概念熱阻基本概念LED熱學設(shè)計的目的在于預熱學設(shè)計的目的在于預言言LED芯片的結(jié)溫，所謂結(jié)芯片的結(jié)溫，所謂結(jié)溫是指溫是指LED芯片芯片PN結(jié)的溫結(jié)的溫度。度。熱阻定義為熱流通道上的溫度差與通道上耗散功率熱阻定義為熱流通道上的溫度差與通道上耗散功率之比之比Thermal Resisitance & Thermal Impedance瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱阻瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱阻o半導體結(jié)與殼體或環(huán)境溫度之間的半導體結(jié)與殼體或環(huán)境溫度之間的穩(wěn)態(tài)條件需數(shù)秒或數(shù)分鐘才能達到。穩(wěn)態(tài)條件需數(shù)秒或數(shù)分鐘才能達到。為提高效率為提高效率,可以采用測量瞬態(tài)熱阻可以采

3、用測量瞬態(tài)熱阻抗的方法?？沟姆椒?。o定義在某一給定時刻的熱阻為瞬態(tài)定義在某一給定時刻的熱阻為瞬態(tài)熱阻抗，瞬態(tài)熱阻抗反映了傳熱體熱阻抗，瞬態(tài)熱阻抗反映了傳熱體的熱慣性在熱量傳遞的瞬變過程中的熱慣性在熱量傳遞的瞬變過程中對熱阻的改變。對熱阻的改變。結(jié)管殼熱阻結(jié)管殼熱阻HPinitialPfinalHJJCPTTPTHPHPinitialPfinalHJJCPTTPTHPPinitialT芯片耗散功率熱平衡初始管殼溫度熱平衡最終管殼溫度PfinalT LED結(jié)到管殼之間形成的結(jié)到管殼之間形成的 熱阻。熱阻。 要求一個無窮大熱沉和管殼要求一個無窮大熱沉和管殼 頂面相接觸。頂面相接觸。 可以用內(nèi)部嵌有熱

4、電偶的大可以用內(nèi)部嵌有熱電偶的大 塊無氧銅替代。塊無氧銅替代。 記錄熱沉的溫度變化，達到記錄熱沉的溫度變化，達到 穩(wěn)態(tài)時測試穩(wěn)態(tài)時測試。HPinitialPfinalHJJCPTTPT結(jié)環(huán)境熱阻結(jié)環(huán)境熱阻JAHAinitialAfinalHJJAPTTPTAinitialTHAinitialAfinalHJJAPTTPTJAAinitialTAfinalT分別表示容器內(nèi)一個限定位置的熱平衡初始和最終溫度。 LED結(jié)到周圍環(huán)結(jié)到周圍環(huán) 境形成的熱阻。境形成的熱阻。 測試時，器件放入測試時，器件放入 1立方英尺容器。立方英尺容器。 僅對自然對流冷卻僅對自然對流冷卻 環(huán)境估算結(jié)溫有用。環(huán)境估算結(jié)溫有

5、用。NC-100 Natural Convection Chamber自然對流自然對流(靜止空氣靜止空氣)熱參數(shù)測量腔熱參數(shù)測量腔自然對流自然對流(靜止空氣靜止空氣)熱測量腔熱測量腔 在標準化靜止空氣(對流)環(huán)境測量芯片/管殼(JA) 組合和管殼/熱沉(JHS)組合的熱阻 腔內(nèi)尺寸為腔內(nèi)尺寸為1 ft1 ft3 3, ,它與外部環(huán)境熱隔離它與外部環(huán)境熱隔離。通過前通過前面門可進入腔內(nèi)部，提起插銷后可打開門面門可進入腔內(nèi)部，提起插銷后可打開門, ,插銷放插銷放置在腔外面置在腔外面。當完全閂栓住的時候，裝在門上密當完全閂栓住的時候，裝在門上密封材料被些微地壓緊確保外部氣流不進入腔內(nèi)封材料被些微地壓

6、緊確保外部氣流不進入腔內(nèi)。 為測定腔內(nèi)環(huán)境溫度為測定腔內(nèi)環(huán)境溫度, ,把一個熱電偶安裝在后腔壁把一個熱電偶安裝在后腔壁上的塑料管內(nèi)上的塑料管內(nèi)。它。它通常裝備一個通常裝備一個T T型熱電偶和超小型熱電偶和超小型聯(lián)接器型聯(lián)接器。流動空氣環(huán)境熱阻流動空氣環(huán)境熱阻JMA 固定在標準的熱試驗板上的芯片固定在標準的熱試驗板上的芯片/管管 殼組合在流動空氣環(huán)境形成的熱阻。殼組合在流動空氣環(huán)境形成的熱阻。 管殼頂上加熱沉。管殼頂上加熱沉。 可應(yīng)用于測量計算在空氣速度已知可應(yīng)用于測量計算在空氣速度已知 的強迫對流環(huán)境的結(jié)溫。的強迫對流環(huán)境的結(jié)溫。WT-100 Wind Tunnel 測量流動空氣測量流動空氣(

7、強迫對流強迫對流)環(huán)環(huán)境境 芯片芯片/管殼組合管殼組合(JMAJMA)和管和管 殼殼/熱沉組合的熱阻熱沉組合的熱阻。 空氣從底部抽進從頂部排出空氣從底部抽進從頂部排出。 測速儀數(shù)字顯示測速儀數(shù)字顯示0.5m/s 5m/s空氣速度空氣速度。 試驗區(qū)截面試驗區(qū)截面:20.3x20.3cm2 。 T型熱電偶固定在試驗區(qū)中型熱電偶固定在試驗區(qū)中心心 邊墻上邊墻上。LED熱學模型熱學模型LED PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生的熱量從芯片開始沿著下述熱學通道傳輸：結(jié)內(nèi)產(chǎn)生的熱量從芯片開始沿著下述熱學通道傳輸：PN結(jié)結(jié)反射腔反射腔印刷板印刷板空氣（環(huán)境）空氣（環(huán)境） LED熱學模型熱學模型o總熱阻可以表示為從結(jié)環(huán)境這一熱路（

8、總熱阻可以表示為從結(jié)環(huán)境這一熱路（thermal path）中各個單個熱阻之和。）中各個單個熱阻之和。JSBASBJSJA為芯片和芯片粘結(jié)劑到反射腔之間形成的熱阻。為芯片和芯片粘結(jié)劑到反射腔之間形成的熱阻。為反射腔，環(huán)氧樹脂到印刷板間的熱阻。為反射腔，環(huán)氧樹脂到印刷板間的熱阻。為印刷板和接觸環(huán)境空氣的熱沉之間組合的熱阻為印刷板和接觸環(huán)境空氣的熱沉之間組合的熱阻結(jié)溫計算結(jié)溫計算:JAdAJPTTJSSBBA多元多元LED熱阻熱阻BJBJBJRNLEDRLEDRArrayTotal _)(1_) 1 (1_1NREmitterLEDRArrayTotalBJBJ_BJBJBJRNLEDRLEDRA

9、rrayTotal _)(1_) 1 (1_1多元多元LED產(chǎn)品的熱阻可產(chǎn)品的熱阻可以采用并聯(lián)熱阻的模型以采用并聯(lián)熱阻的模型來確定來確定.NREmitterLEDRArrayTotalBJBJ_BJBJBJRNLEDRLEDRArrayTotal _)(1_) 1 (1_1BSSJBJRRRLED結(jié)溫測量的電試驗法結(jié)溫測量的電試驗法 在低正向電流時，在低正向電流時，PN結(jié)溫升結(jié)溫升和正向電壓增量成線性相關(guān)。和正向電壓增量成線性相關(guān)。相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)K即溫度即溫度-電壓敏感電壓敏感系數(shù)系數(shù),單位單位: 開關(guān)置開關(guān)置1,加電流加電流IM,測得正向電壓測得正向電壓VFi。 開關(guān)置開關(guān)置2,快速加上加

10、熱電流快速加上加熱電流IH,測量測量 正向電壓正向電壓VH 開關(guān)置開關(guān)置1,快速加電流快速加電流IM,測量正向測量正向 電壓電壓VFf。 VF= VFi- VFf Ti =K VF TJ=TJi+ Ti 這里這里TJi是測量開始前是測量開始前LED結(jié)溫結(jié)溫 的初始溫度。的初始溫度。 mvC/mvC/mvC/mvC/mvC/LED結(jié)溫測量的電流電壓波形結(jié)溫測量的電流電壓波形 選擇至關(guān)重要。除取典型值0.1,1.0,5.0,10.0毫安外，可取伏安特性的擊穿點。MI熱阻測試波形熱阻測試波形校準測量數(shù)據(jù)的冷卻曲線校準測量數(shù)據(jù)的冷卻曲線HHFJXVIVKKbaKKbaKHHFJXVIVKKbaK被測器

11、件撤除加熱電流的被測器件撤除加熱電流的瞬間，結(jié)溫立即下降，但瞬間，結(jié)溫立即下降，但是電壓測量和讀數(shù)需要一是電壓測量和讀數(shù)需要一定時間定時間,因此所獲得的測因此所獲得的測量數(shù)據(jù)有誤差。通常要作量數(shù)據(jù)有誤差。通常要作出被測器件的冷卻曲線從出被測器件的冷卻曲線從而對測量數(shù)據(jù)進行修正。而對測量數(shù)據(jù)進行修正。測量校準方法測量校準方法 先使溫度控制環(huán)境的初始溫先使溫度控制環(huán)境的初始溫 度穩(wěn)定在接近室溫的低溫度穩(wěn)定在接近室溫的低溫 (Tlow)狀態(tài)，測量正向電壓狀態(tài)，測量正向電壓 Vlow。 使溫度增加到高溫使溫度增加到高溫(Thigh), 穩(wěn)定后測量穩(wěn)定后測量Vhigh的數(shù)值。的數(shù)值。highlowlow

12、highVVTTKTCS-100 Temperature Calibration SystemTCS-100 Temperature Calibration System The TCS-100 is designed to simplify the gathering of data for K Factor calibration of diodes. The system contains a precision current source for supplying IM, a voltmeter for measuring VM, and a Type-T thermocouple

13、 measurement for monitoring the environment temperature. A 36-pin rear-panel mounted connector provides full Kelvin connection for up to 16 devices. Each device under test is selected by front-panel push button.熱阻測量熱阻測量 按照所施加的耗散功率和選擇合適的加熱時按照所施加的耗散功率和選擇合適的加熱時 間，就可以按下述公式計算被測器件的熱阻間，就可以按下述公式計算被測器件的熱阻。HH

14、FHJVIVKPTJX 測量測量LED熱阻時，分為穩(wěn)態(tài)熱阻和瞬態(tài)熱阻，穩(wěn)態(tài)熱熱阻時，分為穩(wěn)態(tài)熱阻和瞬態(tài)熱阻，穩(wěn)態(tài)熱 阻確定了整個器件的熱性能。測量瞬態(tài)熱阻時采用加阻確定了整個器件的熱性能。測量瞬態(tài)熱阻時采用加 熱脈沖寬度大于芯片而小于基板的熱時間常數(shù)。加熱熱脈沖寬度大于芯片而小于基板的熱時間常數(shù)。加熱 脈沖寬度通常在脈沖寬度通常在1幾百幾百ms。由于不同封裝。由于不同封裝LED的熱的熱 時間常數(shù)不同，因此選擇合適加熱脈沖寬度十分重要。時間常數(shù)不同，因此選擇合適加熱脈沖寬度十分重要。Agilent 熱測試系統(tǒng)熱測試系統(tǒng)加熱曲線加熱曲線JCJCJMA熱流熱流:結(jié)結(jié) 芯片芯片 封裝底面封裝底面 殼殼

15、 環(huán)境環(huán)境 產(chǎn)生的熱產(chǎn)生的熱=散去的熱散去的熱 平衡平衡加熱曲線加熱曲線:器件在不同環(huán)境器件在不同環(huán)境條件條件,施加確定施加確定的加熱功率的加熱功率PH時時,熱阻和加熱時間熱阻和加熱時間的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線.JCJMAJA加熱曲線用途o曲線的光滑度顯示數(shù)據(jù)聯(lián)貫性和可信度。o清楚顯示熱穩(wěn)態(tài)狀況,獲得最短穩(wěn)態(tài)時間。o曲線顯示管殼封裝的熱性能,采用最優(yōu)化數(shù)據(jù)PH,tH檢驗封裝工藝。o顯示不同環(huán)境條件的加熱曲線有助于估計器件在其它環(huán)境下的熱性能。o組合曲線可用于精確估計在不同環(huán)境條件到達熱穩(wěn)定的時間。LED熱學參數(shù)應(yīng)用問題熱學參數(shù)應(yīng)用問題oA.設(shè)置結(jié)溫極限 設(shè)置合適的結(jié)溫極限是熱學設(shè)計的重點。 (1)

16、 結(jié)溫愈低,LED產(chǎn)品的發(fā)光效率愈好,可根據(jù)應(yīng)用所 需要的光輸出確定最大結(jié)溫。 (2) LED產(chǎn)品的顏色會隨結(jié)溫升高而向長波方向漂移,可 根據(jù)應(yīng)用所允許的顏色漂移范圍來設(shè)置最大結(jié)溫。 (3)為保證LED產(chǎn)品工作可靠性,設(shè)置最大結(jié)溫。 參數(shù)最大結(jié)溫(C) 參數(shù)最大結(jié)溫(C)LED結(jié)溫 120鋁芯PCB LED 105無光學LED -40-105有光學LED -40-75LED熱學參數(shù)應(yīng)用問題熱學參數(shù)應(yīng)用問題oB.評價環(huán)境溫度數(shù)據(jù) 使用產(chǎn)品標準或代表性測試數(shù)據(jù)來確定 最差環(huán)境溫度TA C.確定允許的耗散功率 例:已知LED熱阻=120 C/W,TA=70 C. 計算最大耗散功率. 解:PD=(12

17、5 C-70 C)/ 120 C/W=0.71W. 熱沉問題熱沉問題(結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu))熱沉問題熱沉問題(面積面積)The term exposed surface area is the sum total of all surfaces of the heat sink exposed to convection. The footprint area“ quantifies the projected area of the heat sink as shown in following diagram.A finned heat sink can fit more exposed surfac

18、e area in a given foot print than a flat heat sink.熱沉問題熱沉問題(特性特性)Flat Heat Sink 0.09 (2.3 mm) Thick結(jié)溫評價實例結(jié)溫評價實例o功率LED LA E67B, IF=50mA,Tj125C,焊點溫度=環(huán)境溫度=TS=70 C;UF=2.1V,器件數(shù)據(jù)表給出熱阻=130 C/W.求結(jié)溫=?o解: Tj= 130 C/W 50mA2.1V+70 Co =83.7 Co Tjmax Tj 125C5x Magnification of an Infrared Image of a biased AH101 at a case temperature near 85 C熱像分析熱像分析 LED壽命壽命: LED (發(fā)光)強度(功率)衰退到一半初始(發(fā)光)強度(功 率)的時間.oP=P0 exp(-t) . (1)o=0IFexp (-Ea/kTj). (2)oTj=th IFVF+Ta . (3)o利用公式(1)可以通