led热学研究.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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LE
9、D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
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