大功率ＬＥＤ的热阻测量与结构分析_LED热阻

　　文章编号：1006-6268（2008）08-0025-05 　　摘要：热阻的精确测量与器件结构分析是设计具有优良散热性能的大功率LED的前提。本文研究了大功率LED的光功率、环境温度和工作电流对热阻的影响规律，论述了积分式结构函数和微分式结构函数的推导过程及其主要性质，提出了大功率LED热阻的精确测量方法，并利用结构函数分析及辨识大功率LED器件的内部结构、尺寸、材料、制造缺陷和装配质量。
　　关键词：大功率发光二极管；热阻；结构函数
　　中图分类号：TN06文献标识码：A
　　
　　Thermal Resistance Measurement and Structure Identification for High-Power LED
　　ZHUANG Peng
　　(Xiamen Products Quality Inspection Institute, Fujian Xiamen 361004, China)
　　Abstract: The precise measurement of thermal resistance and structure identification are elements in designing high-power LED with good thermal conductivity. By studying the relationship between the thermal resistance and the optical power, ambient temperature as well as drive current of high-power LED, the generation of cumulative and differential structure functions and their main characteristics were discussed, and the precise method of measuring thermal resistance for high-power LED was proposed. The inner-construction details of high-power LED, such as dimension, material, manufacture defects and assembly quality, were also analyzed and identified by the structure functions.
　　Keywords:high-power LED; thermal resistance; structure function
　　
　　引言
　　
　　半导体照明光源具有节能、环保、安全、易驱动、体积小、寿命长、色彩丰富、可靠性高等优点，经过40多年的发展，发光效率和功率得到了大幅度的提高，1996年白光LED的研制成功使半导体照明光源备受瞩目，目前已被公认为是21世纪最有可能进入普通照明领域的新型固态光源[1]。但是LED器件要完全取代传统的白炽灯和荧光灯，其总光通量必须大幅度提高。光通量的提高一般采用增加集成度、加大电流密度、使用大尺寸芯片等方法来实现[2]，这些方法会增加LED的功率密度，如果散热系统设计不完善，PN结至环境的总热阻过大，LED芯片的结温就会过高，这将直接影响LED器件的性能，导致发光效率降低、出射光红移、寿命缩短等[3]，可见合理设计散热系统对提高LED的性能十分重要。
　　本文运用半导体器件热性能的动态测量原理[4]，通过测量大功率LED的热瞬态响应，研究LED热阻的精确测量方法，总结热阻与环境温度和工作电流的关系，利用结构函数分析LED器件热传导路径上的材料特性、尺寸和缺陷，为设计和制造具有优良散热性能的大功率LED及其应用系统提供科学的指导。
　　
　　1热阻精确测量与器件结构分析原理
　　
　　1.1电学参数法
　　目前国内外测量LED热学特性的方法主要有红外热成像法、光谱法、光功率法、管脚温度法和电学参数法。采用电学参数法测量时，LED的PN结既是被测对象，又是温度传感器，消除了因附加温度传感器而引入的测量误差，因此测量精度高、速度快，是目前国际上通用的标准方法[5]。
　　热阻是导热介质两端的温度差与通过热流功率的比值，LED的热阻定义为：
　　
　　式中TJ0为待测LED未施加加热功率前的初始结温，在热平衡状态下即为指定参考点的温度TX。
　　由式（1）、（2）、（3）可得待测LED热阻的另一种表示方式：
　　
　　按照CIE的建议，LED光度和辐射度的测量应在热稳定状态下进行[6]；而JSD51-1标准规定[5]，半导体器件热性能的测量应在两种不同的热稳定状态及其之间的变化过程中进行。LED热稳定状态的改变可以通过快速切换流过LED的电流来实现。当电流从小电流（测试电流）切换为大电流（加热电流）时，LED结温的变化曲线称为加热曲线，此时由于流过LED的电流较大，测量误差也较大；当电流从大电流（加热电流）切换为小电流（测试电流）时，LED结温的变化曲线称为冷却曲线，此时由于流过LED的电流很小，测量精度较高(注：测试电流的选择不应过大而导致LED产生明显的自热效应，又要避免过小而得不到可靠的正向结电压) 。因为加热曲线和冷却曲线相互对称，两者均能反映LED的热性能，因此在实验中宜采用测量冷却曲线的方法[7]，具体步骤如下（参见图1）：
　　（1）在小电流下根据式（2）测量LED的温度敏感系数K；
　　（2）使加热电流IH通过待测LED，当LED达到热稳定状态时，测量此时的正向结电压Vf1、电功率PEL1（IH Vf1）和光功率POPT1；
　　（3）迅速将加热电流IH切换为测试电流IS，实时记录冷却曲线，直至LED达到另一个热稳定状态，测量此时的正向结电压Vf2、电功率PEL2（IS Vf2）和光功率POPT2。
　　（4）设两次测量的电功率和光功率之差分别为PEL= PEL1－PEL2和POPT= POPT1－POPT2，则由式（4）可得LED的热阻为：
　　
　　1.2结构函数的推导过程
　　
　　在实际物理系统中，物体所贮存的热能与温度成比例关系，而并非像Foster模型所表示的那样，由节点间的温度差所决定，因此应将Foster热学模型转换为所有热容均接地的Cauer热学模型[8]，如图4所示。将Cauer热学模型中的每一对R"θi- C"θi值在坐标系中表示出来，如图5所示，即得到系统的积分式结构函数：
　　
　　2热阻测量实例
　　
　　由于仪器功能的原因，在测量LED热阻时，要么直接忽略了LED的光功率POPT[9]，要么仅对LED的光功率进行粗略的估计[10] ，这对于输入电能约有10％～30％转化为光能的大功率LED来说将导致较大的测量偏差。还有另外一种方法是分别用两套系统测量热阻和光功率，然后再计算出真实的热阻，但这种方法相当粗略，因为在两个不同的系统中，测试环境和条件很难控制得完全一致，还会引入系统间的误差，测量结果误差较大。
　　以匈牙利MicRed公司的LED辐射特性测试仪（型号T3Ster）为主控系统，热稳态响应测试仪（型号TeraLED）为被控系统，试验样品采用1W白光LED（内部结构主要包括芯片、银胶层、金属底座和铝基板等），在铝基板上涂覆导热系数为1.4K/W的导热胶，并可靠地夹紧在温控座上。温控座的温度（即LED工作环境的温度）Ta分别为15℃、25℃、35℃、45℃和55℃，加热电流IH分别为150mA、250mA和350mA，测试电流IS为10mA，在LED的一次装夹中完成各种环境温度和加热电流下光、热参数的测量，将测量误差减至最小。不同的环境温度和加热电流对光功率的影响规律如图6所示。扣除和不扣除光功率的热阻测量值如表1所示。由表1可知：（1）LED的光功率对热阻影响较大，为了得到热阻的精确值，必须准确测量LED的光功率；（2）LED的热阻不仅与器件的结构和材料有关，而且与环境温度和工作电流有关，特别是环境温度对热阻的影响较大，给出热阻时，必须指明LED所处的环境温度才有意义。
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　　3器件结构分析实例
　　
　　在Ta =25℃，IH=350mA，IS=10mA的测试条件下，分别就铝基板与温控座之间涂覆与不涂覆导热胶两种情况进行对比试验，测得LED的积分式结构函数和微分式结构函数如图7和图8所示。通过分析可以得到结构函数的以下几个主要性质：
　　（1）积分式结构函数表示热传导路径上材料的累积热容随累积热阻的变化关系，微分式结构函数表示热传导路径上材料的cλA2与累积热阻的对应关系。结构函数从原点开始，沿着X轴的正向，分别对应LED热传导路径上从PN结、芯片、银胶层、金属底座、铝基板直至周围环境的热学特性。因为周围环境的热容无穷大，因此结构函数的数值也趋向无穷大，该奇异点所对应的X值即为LED从PN结到周围环境的稳态热阻；
　　（2）积分式结构函数的平坦区域或微分式结构函数的波谷对应LED器件热容小、热阻大的部分，如银胶层、内部缺陷等；积分式结构函数的陡峭区域或微分式结构函数的波峰对应LED器件热容大、热阻小的部分，如芯片、金属底座和铝基板等。各部分间的热阻为函数上的对应点在X轴上的坐标值之差，例如，从图7和图8可以得出芯片的热阻为1.28 K/W，金属底座和铝基板间的热阻为1.82 K/W；
　　（3）当LED芯片与金属底座之间的银胶层存在空洞而导致热阻变大，或者由于铝基板与温控座安装不当而引起散热不畅时，利用结构函数可以方便地判断出来。如图7和图8所示，对于铝基板和温控座间有、无导热胶的两种情况，测得的结构函数在左部和中部基本上完全一致，仅在右部产生偏离。这是因为结构函数的左部和中部对应LED的芯片、银胶层、金属底座和铝基板，这些部分的传热特性不受铝基板和温控座间有无导热胶的影响。结构函数仅在铝基板后产生分离，不涂导热胶的热阻比涂有导热胶的热阻增加了约2K/W；
　　（4）如果已知LED器件某一部分材料的体积热容为c，该部分对应的累积热容为△C∑，由积分式结构函数可以计算出该部分的体积
　　
　　（5）如果已知LED器件某一部分材料的体积热容和热导率，由微分式结构函数可以计算出该部分的横截面积
　　
　　可见，应用结构函数不仅可以求出LED的稳态热阻、判断LED器件的内部结构，而且当材料特性已知时，可以确定LED器件各组成部分的几何尺寸；当几何尺寸已知时，可以估计出LED器件各组成部分所使用的材料。
　　
　　4结论
　　
　　本文通过理论推导和实验分析，研究了大功率LED热阻精确测量与器件结构分析的方法。研究结果表明：①为了得到LED热阻的精确值，必须准确测量并扣除LED的光功率；②LED的热阻不仅与器件的结构和材料有关，而且与环境温度和工作电流有关，特别是环境温度对热阻的测量值影响较大；③通过结构函数可以辨识LED器件的内部组成结构，得到LED从PN结至周围环境的稳态热阻及内部各组成部分之间的热阻，进而判断器件的内部缺陷或装配质量；④利用结构函数可以确定LED器件各组成部分的几何尺寸或估计各组成部分所使用的材料。这些结论对于LED结温的准确测量以及设计和制造具有优良散热性能的大功率LED具有重要的意义。
　　
　　参考文献
　　[1] 陈忠, 高玉琳, 吕毅军. 半导体照明检测与评估平台的建设[C].中国半导体照明产业发展年鉴.2006.
　　[2] 刘胜, 陈明祥, 罗小兵等. 大功率LED封装技术与发展[C].中国半导体照明产业发展年鉴.2006.
　　[3] 余彬海，王壶浩. 结温与热阻制约大功率LED发展[J].发光学报,2005, 26(6).
　　[4] John W. Sofia. Component Thermal Charac -terization: Transient to Steady State. www.省略
　　[5] EIA / JEDEC Standard JESD5 1-1. Integrated Circuits Thermal Measurement Method - Electrical Test Method (Single Semiconductor Device). USA: ELECTRONIC INDUSTRIES ALLIANCE, 1995.3~7
　　[6] CIE 127:2007. Measurement of LED
　　[7] Hardware Reference Guide of Thermal Tran -sient Tester, Model 2000/100. MicRed Ltd.
　　[8] V. Székely. A new evaluation method of thermal transient measurement results. Microelectronics Journal, Vol.28, pp. (1997)
　　[9] 马春雷, 鲍超. 高功率LED热特性测试方法研究与应用[J].光子学报,2005,34(12).
　　[10] 房华,李阳. 大功率LED的热量分析与设计[J]. 现代显示,2007，9(79)：67-70.省略。
　　
　　“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”
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