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LED热学参数测试研究热学参数测试研究 浙江大学光电系浙江大学光电系 鲍鲍 超超引言引言 LED器件的热学性能会直接影响到器件发光器件的热学性能会直接影响到器件发光效率、强度、光谱特性、工作稳定性和使效率、强度、光谱特性、工作稳定性和使用寿命。因此对用寿命。因此对LED器件的热学参数进行器件的热学参数进行分析研究，采用标准化的方法进行测量，分析研究，采用标准化的方法进行测量，满足检测中心和企业需要满足检测中心和企业需要;同时为满足仲裁同时为满足仲裁测试、数据报告等组建公共测试平台测试、数据报告等组建公共测试平台,开发开发商业化的测量设备，这些都是半导体照明商业化的测量设备，这些都是半导体照明工程中的一项关键性工作。工程中的一项关键性工作。热阻基本概念热阻基本概念LED热学设计的目的在于预热学设计的目的在于预言言LED芯片的结温，所谓结芯片的结温，所谓结温是指温是指LED芯片芯片PN结的温结的温度。度。热阻定义为热流通道上的温度差与通道上耗散功率热阻定义为热流通道上的温度差与通道上耗散功率之比之比Thermal Resisitance&Thermal Impedance瞬态和稳态热阻瞬态和稳态热阻o半导体结与壳体或环境温度之间的半导体结与壳体或环境温度之间的稳态条件需数秒或数分钟才能达到。稳态条件需数秒或数分钟才能达到。为提高效率为提高效率,可以采用测量瞬态热阻可以采用测量瞬态热阻抗的方法。抗的方法。o定义在某一给定时刻的热阻为瞬态定义在某一给定时刻的热阻为瞬态热阻抗，瞬态热阻抗反映了传热体热阻抗，瞬态热阻抗反映了传热体的热惯性在热量传递的瞬变过程中的热惯性在热量传递的瞬变过程中对热阻的改变。对热阻的改变。结管壳热阻结管壳热阻芯片耗散功率热平衡初始管壳温度热平衡最终管壳温度 LED结到管壳之间形成的结到管壳之间形成的 热阻。热阻。要求一个无穷大热沉和管壳要求一个无穷大热沉和管壳 顶面相接触。顶面相接触。可以用内部嵌有热电偶的大可以用内部嵌有热电偶的大 块无氧铜替代。块无氧铜替代。记录热沉的温度变化，达到记录热沉的温度变化，达到 稳态时测试稳态时测试。结环境热阻结环境热阻分别表示容器内一个限定位置的热平衡初始和最终温度。LED结到周围环结到周围环 境形成的热阻。境形成的热阻。测试时，器件放入测试时，器件放入 1立方英尺容器。立方英尺容器。仅对自然对流冷却仅对自然对流冷却 环境估算结温有用。环境估算结温有用。NC-100 Natural Convection Chamber自然对流自然对流(静止空气静止空气)热参数测量腔热参数测量腔自然对流自然对流(静止空气静止空气)热测量腔热测量腔 在标准化静止空气(对流)环境测量芯片/管壳(JA)组合和管壳/热沉(JHS)组合的热阻 腔内尺寸为腔内尺寸为1 1 ftft3 3,它与外部环境热隔离它与外部环境热隔离。通过前面通过前面门可进入腔内部，提起插销后可打开门门可进入腔内部，提起插销后可打开门,插销放置插销放置在腔外面在腔外面。当完全闩栓住的时候，装在门上密封当完全闩栓住的时候，装在门上密封材料被些微地压紧确保外部气流不进入腔内材料被些微地压紧确保外部气流不进入腔内。为为测定腔内环境温度测定腔内环境温度,把一个热电偶安装在后腔壁上把一个热电偶安装在后腔壁上的塑料管内的塑料管内。它。它通常装备一个通常装备一个T T型热电偶和超小型型热电偶和超小型联接器联接器。流动空气环境热阻流动空气环境热阻固定在标准的热试验板上的芯片固定在标准的热试验板上的芯片/管管 壳组合在流动空气环境形成的热阻。壳组合在流动空气环境形成的热阻。管壳顶上加热沉。管壳顶上加热沉。可应用于测量计算在空气速度已知可应用于测量计算在空气速度已知 的强迫对流环境的结温。的强迫对流环境的结温。WT-100 Wind Tunnel测量流动空气测量流动空气(强迫对流强迫对流)环境环境 芯片芯片/管壳组合管壳组合(JMAJMA)和和管管 壳壳/热沉组合的热阻热沉组合的热阻。空气从底部抽进从顶部排出空气从底部抽进从顶部排出。测速仪数字显示测速仪数字显示0.5m/s 5m/s空气速度空气速度。试验区截面试验区截面:20.3x20.3cm2。T型热电偶固定在试验区中心型热电偶固定在试验区中心 边墙上边墙上。LED热学模型热学模型LED PN结内产生的热量从芯片开始沿着下述热学通道传输：结内产生的热量从芯片开始沿着下述热学通道传输：PN结结反射腔反射腔印刷板印刷板空气（环境）空气（环境）LED热学模型热学模型o总热阻可以表示为从结环境这一热路（总热阻可以表示为从结环境这一热路（thermal path）中各个单个热阻之和。中各个单个热阻之和。为芯片和芯片粘结剂到反射腔之间形成的热阻。为芯片和芯片粘结剂到反射腔之间形成的热阻。为反射腔，环氧树脂到印刷板间的热阻。为反射腔，环氧树脂到印刷板间的热阻。为印刷板和接触环境空气的热沉之间组合的热阻为印刷板和接触环境空气的热沉之间组合的热阻结温计算结温计算:多元多元LED热阻热阻多元多元LED产品的热阻可产品的热阻可以采用并联热阻的模型以采用并联热阻的模型来确定来确定.LED结温测量的电试验法结温测量的电试验法在低正向电流时，在低正向电流时，PN结温升结温升和正向电压增量成线性相关。和正向电压增量成线性相关。相关系数相关系数K即温度即温度-电压敏感电压敏感系数系数,单位单位:开关置开关置1,加电流加电流IM,测得正向电压测得正向电压VFi。开关置开关置2,快速加上加热电流快速加上加热电流IH,测量测量 正向电压正向电压VH开关置开关置1,快速加电流快速加电流IM,测量正向测量正向 电压电压VFf。VF=VFi-VFf Ti=K VF TJ=TJi+Ti 这里这里TJi是测量开始前是测量开始前LED结温结温 的初始温度。的初始温度。LED结温测量的电流电压波形结温测量的电流电压波形选择至关重要。除取典型值0.1,1.0,5.0,10.0毫安外，可取伏安特性的击穿点。热阻测试波形热阻测试波形校准测量数据的冷却曲线校准测量数据的冷却曲线被测器件撤除加热电流的被测器件撤除加热电流的瞬间，结温立即下降，但瞬间，结温立即下降，但是电压测量和读数需要一是电压测量和读数需要一定时间定时间,因此所获得的测因此所获得的测量数据有误差。通常要作量数据有误差。通常要作出被测器件的冷却曲线从出被测器件的冷却曲线从而对测量数据进行修正。而对测量数据进行修正。测量校准方法测量校准方法先使温度控制环境的初始温先使温度控制环境的初始温 度稳定在接近室温的低温度稳定在接近室温的低温 (Tlow)状态，测量正向电压状态，测量正向电压 Vlow。使温度增加到高温使温度增加到高温(Thigh),稳定后测量稳定后测量Vhigh的数值。的数值。TCS-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 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.热阻测量热阻测量按照所施加的耗散功率和选择合适的加热时按照所施加的耗散功率和选择合适的加热时 间，就可以按下述公式计算被测器件的热阻间，就可以按下述公式计算被测器件的热阻。测量测量LED热阻时，分为稳态热阻和瞬态热阻，稳态热热阻时，分为稳态热阻和瞬态热阻，稳态热 阻确定了整个器件的热性能。测量瞬态热阻时采用加阻确定了整个器件的热性能。测量瞬态热阻时采用加 热脉冲宽度大于芯片而小于基板的热时间常数。加热热脉冲宽度大于芯片而小于基板的热时间常数。加热 脉冲宽度通常在脉冲宽度通常在1几百几百ms。由于不同封装由于不同封装LED的热的热 时间常数不同，因此选择合适加热脉冲宽度十分重要。时间常数不同，因此选择合适加热脉冲宽度十分重要。Agilent 热热测试系统测试系统加热曲线加热曲线热流热流:结结 芯片芯片 封装底面封装底面 壳壳 环境环境 产生的热产生的热=散去的热散去的热 平衡平衡加热曲线加热曲线:器件在不同环境器件在不同环境条件条件,施加确定施加确定的加热功率的加热功率PH时时,热阻和加热时间热阻和加热时间的关系曲线的关系曲线.加热曲线用途o曲线的光滑度显示数据联贯性和可信度。o清楚显示热稳态状况,获得最短稳态时间。o曲线显示管壳封装的热性能,采用最优化数据PH,tH检验封装工艺。o显示不同环境条件的加热曲线有助于估计器件在其它环境下的热性能。o组合曲线可用于精确估计在不同环境条件到达热稳定的时间。LED热学参数应用问题热学参数应用问题oA.设置结温极限 设置合适的结温极限是热学设计的重点。(1)结温愈低,LED产品的发光效率愈好,可根据应用所 需要的光输出确定最大结温。(2)LED产品的颜色会随结温升高而向长波方向漂移,可 根据应用所允许的颜色漂移范围来设置最大结温。(3)为保证LED产品工作可靠性,设置最大结温。参数最大结温(C)参数最大结温(C)LED结温 120铝芯PCB LED 105无光学LED -40-105有光学LED -40-75LED热学参数应用问题热学参数应用问题oB.评价环境温度数据 使用产品标准或代表性测试数据来确定 最差环境温度TA C.确定允许的耗散功率 例:已知LED热阻=120 C/W,TA=70 C.计算最大耗散功率.解:PD=(125 C-70 C)/120 C/W=0.71W.热沉热沉问题问题(结构结构)热沉问题热沉问题(面积面积)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 surface area in a given foot print than a flat heat sink.热沉问题热沉问题(特性特性)Flat Heat Sink 0.09(2.3 mm)Thick结温评价实例结温评价实例o功率LED LA E67B,IF=50mA,Tj125C,焊点温度=环境温度=TS=70 C;UF=2.1V,器件数据表给出热阻=130 C/W.求结温=?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热像热像分析分析 LED寿命寿命:LED(发光)强度(功率)衰退到一半初始(发光)强度(功 率)的时间.oP=P0 exp(-t).(1)o=0IFexp(-Ea/kTj).(2)oTj=th IFVF+Ta .(3)o利用公式(1)可以通过试验得到寿命试验数据,从而得到相同 条件的器件的期望寿命.例如,用DC50mA试验得到300小时 数据,进而可推算300小时后的期望寿命.o由公式(1)(2)(3)可得到相同LED在不同条件的寿命数据.LED结温和寿命结温和寿命MTTF和结温和结温o平均无故障时间平均无故障时间:MTTF=A*e(Ea/kT)A=3.71 x 10-12(hrs)(Pre-exponential Factor)Ea=1.5(eV)(Activation Energy for WJ GaAs devices)(激活能激活能)k=8.617 x 10-5(eV/C)(Boltzmanns Constant)MTTF和结温和结温结束语结束语o以上主要讨论了稳态热阻测试的标准方法及有以上主要讨论了稳态热阻测试的标准方法及有关问题。关问题。o三种不同概念的热阻对产品生产和检验都有用。三种不同概念的热阻对产品生产和检验都有用。o讨论了结温和讨论了结温和LED寿命寿命,平均无故障时间关系平均无故障时间关系。o对于各种对于各种LED器件而言器件而言,精确测量瞬态热阻抗值精确测量瞬态热阻抗值和如何估算半导体结的最大温升和如何估算半导体结的最大温升,需要做许多研需要做许多研究究,才能制定瞬态热阻抗测试标准。才能制定瞬态热阻抗测试标准。o水平有限水平有限,错误和不当之处错误和不当之处,请批评指正请批评指正.