LED結溫電壓測量法原理

LED結溫電壓測量法原理

LED應用于照明除了節能外,長壽命也是其十分重要的優勢。目前由于LED 熱性能原因,LED 及其燈具不能達 到理想的使用壽命;LED 在工作狀態時的結溫直接關系到其壽命和光效;熱阻則直接影響LED 在同等使用條件下 LED 的結溫;LED 燈具的導熱系統設計是否合理也直接影響燈具 的壽命。因此功率型 LED 及其燈具的熱性能測試 ,對于 LED 的生產和應用研發都有十分 直接的意義。以下將簡述LED 及其燈具的主要熱性能指標,電壓溫度系數K、結溫和熱阻的測試原理、測試設備、測試內容和測試方法,以供LED 研發、生產和應用企業參考。

　　一、電壓法測量 LED 結溫的原理

　　LED 熱性能的測試首先要測試 LED 的結溫,即工作狀態下 LED 的芯片的溫度。關于LED 芯片溫度的測試,理論上有多種方法,如紅外光譜法、波長分析法和電壓法等等。目前實際使用的是電壓法。1995 年 12 月電子工業聯合會/電子工程 設計發展聯合會議發布的> 標準對于電壓法測量半導體 結溫的原理、方法和要求等都作了詳細規范。

　　電壓法測量LED 結溫的主要思想是：特定電流下 LED 的正向壓降 Vf 與 LED 芯片的 溫度成線性關系,所以只要測試到兩個以上溫度點的Vf 值,就可以確定該 LED 電壓與溫 度的關系斜率,即電壓溫度系數 K 值,單位是 mV/°C 。K 值可由公式K=ㄓVf/ㄓTj 求得。K 值有了,就可以通過測量實時的 Vf 值,計算出芯片的溫度(結溫)Tj 。 為了減小電壓測量帶來的誤差,> 標準規定測量系數 K 時,兩個溫度 點溫差應該大于等于50 度。對于用電壓法測量結溫的儀器有幾個基本的要求：A、電壓法測量結溫的基礎是特定的測試電流下的 Vf 測量,而 LED 芯片由于溫度變 化帶來的電壓變化是毫伏級的,所以要求測試儀器對電壓測量的穩定度必須足夠高,連續測量的波動幅度應小于 1mV 。

　　B、這個測試電流必須足夠小,以免在測試過程中引起芯片溫度變化;但是太小時會引起電壓測量不穩定,有些 LED 存在匝流體效應會影響 Vf 測試的穩定性,所以要求測試 電流不小于 IV 曲線的拐點位置的電流值。

　　C、由于測試LED 結溫是在工作條件下進行的,從工作電流(或加熱電流)降到測 試電流的過程必須足夠快和穩定,Vf 測試的時間也必須足夠短,才能保證測試過程不會引 起結溫下降。

　　在測量瞬態和穩態條件的結溫的基礎上, 可以根據下面公式算出LED 相應的熱阻值：

　　Rja=ㄓT/P= 【Ta Tj 】/P

　　其中 Ta 是系統內參考點的溫度(如基板溫度),Tj 是結溫,P 是使芯片發熱的功率對于 LED 可以認為就是 LED 電功率減去發光功率 。 由于 LED 的封裝方式不同,安裝使用情況不同,對熱阻的定義有差別,測試時需要相應的支架和夾具配套。SEMI 的標準中定義了兩種熱阻值,Rja 和 Rjb ,其中：Rja 是測量在自然對流或強制對流條件下從芯片接面到大氣中的熱傳導, 情形如圖一(a)所示。

　　圖一

　　Rja 在標準規范的條件下測量,可用于比較不同封裝散熱的情況。

　　Rjb 是指在自然對流以及風洞環境下由芯片接面傳到下方測試板部分熱傳時所產生 的熱阻,可用于由板溫去預測結溫。見圖二

　　圖二

　　大功率 LED 封裝都帶基板,絕大部分熱從基板通過散熱板散發,測量 LED 熱阻主要是指 LED 芯片到基板的熱阻。與 Rjc 的情況更加接近。見圖三

　　圖三

　　二、幾款測試儀器性能介紹

　　目前用于 LED 熱性能測試的設備是參照EIA/JESD 51標準的要求進行設計的。典型的設備有：Mic ReD 公司的T3Ster®;AnaTech 公司的Phase10 Thermal Analyzer; TEA 公司的different TTS systems 等。由于 LED 熱性測試的進口設備價格昂貴,使用 復雜,目前國內只有很少的單位配備了進口設備。目前國產設備和進口設備相比,綜合技術指標方面有一定差距,尤其是分析軟件方面差距較大。但是由于 LED 芯片體積較大, 測試要求和集成電路 的測試要求有很大不同,大部指標已經可以完全滿足測試要求。在價格方面國產設備有很大競爭優勢,設計要求也以 LED 測試為主,使用方便,有利 LED 熱 性能測試的廣泛使用。下表是三家典型的進口設備和國產設備(杭州伏達光電 技術有限公司的 JDS200型 LED 光色電熱綜合測試系統);以及臺灣半導體光電產業協會關于 《LED 熱阻量測標準草案》要求的幾項主要技術參數的對比(數據是由公開現有資源收集來的,大部分來自網站的現有資料)：