準確測量大功率LED熱阻的新方法

1、5半導(dǎo)體光電62009年2月第30卷第1期周長波等: 準確測量大功率LED熱阻的新方法光電器件準確測量大功率LED熱阻的新方法周長波1,錢可元1,羅 毅1,2(清華大學(xué)1.深圳研究生院半導(dǎo)體照明實驗室,廣東深圳518055;2.電子工程系集成光電子學(xué)國家重點實驗室,北京100084)摘 要: 準確測量大功率LED的熱阻,關(guān)鍵是準確地確定LED的結(jié)溫增量。首先利用正向電壓法獲得LED的結(jié)溫;通過測量LED的降溫曲線,計算獲得LED穩(wěn)定工作時底座的溫度,從而得到LED的結(jié)溫相對底座溫度的增量。然后,再與注入電功率相除,即可得到準確的熱阻。與常規(guī)方法相比,避免了直接測量LED底座溫度中界面熱阻的影響

2、,使得測量LED的熱阻更加準確、方便。該方法還可以用于測量貼片封裝LED等常規(guī)方法難以測量的LED以及用于分析大功率LED二次封裝時引入的熱阻,為評價大功率LED的封裝質(zhì)量提供了一種有效的評測手段。關(guān)鍵詞: 熱阻;結(jié)溫;大功率LED;發(fā)光二極管中圖分類號:TN312.8 文獻標識碼:A 文章編號:1001-5868(2009)01-0043-04ThermalResistanceEvaluationofHighPowerLEDZHOUChang-bo1,QIANKe-yuan1,LUOYi1,2(1.SemiconductorLightingLab.,GraduateSchoolatShenz

3、hen,Shenzhen518055,CHN;2.StateKeyLab.onIntegratedOptoelectronics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,CHN)Abstract: AnovelmethodforthermalresistanceevaluationofhighpowerLEDisproposed.ThejunctiontemperatureofLEDchipisobtainedbyforwardvoltagemethod.ThetemperatureofsolderpointofLEDlampisobtainedthroughcurv

4、efittingofthedroppingtemperatureaftershutting.ThedifferenceofthetworepresentsthethermalresistanceoftheLED.TheproposedmethodavoidsmeasuringthetemperatureofthesolderpointoftheLEDlamp,whichisinevitableincommonways.Theerrorintroducedbycontactthermalresistanceiseliminated.Theproposedmethodismoreconvenien

5、t,accurateandconsistent.TheproposedmethodiscapabletoevaluatethethermalresistanceofsurfacemountLEDs(SMT-LEDs)whicharedifficulttotestforcommonmethods.Moreover,themethodiscapabletotestthethermalresistanceintroducedbysecondtimepackaging.Keywords: thermalresistance;junctiontemperature;high-powerLED;light

6、emittingdiode0 引言目前,大功率白光LED發(fā)光效率已經(jīng)超過100lm/W,大大領(lǐng)先于傳統(tǒng)照明光源。要充分發(fā)揮LED的優(yōu)勢,還必須解決一系列關(guān)鍵技術(shù)問題,特收稿日期:2008-05-15.基金項目:北京市科委重大項目;國家/8630計劃項目.別是散熱問題。若散熱不良,將引起LED工作溫度升高,會引起出光效率下降,使用壽命縮短等問題1-2。大功率LED的熱阻定義為芯片pn結(jié)的溫度與底座溫度之差和輸入功率的比值,是衡量大功率LED散熱狀況的主要參數(shù),也是評價商業(yè)化大功率LED器件最重要的性能參數(shù)之一。如何準確測量#SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol.30N

7、o.1Feb.2009大功率LED的熱阻是大功率LED研究的焦點問題之一。LED結(jié)溫的測量,目前普遍采用的是正向電壓法3。在輸入電流恒定的情況下,LED的正向電壓與其結(jié)溫之間具有線性關(guān)系。利用這個關(guān)系,可以根據(jù)LED的正向電壓的變化得出結(jié)溫。得到結(jié)溫后,減去LED底座的溫度,即可得到LED的熱阻。這一方法的難點在于測量LED底座的溫度。目前普遍采用的方法是,將LED固定在金屬板上,在金屬板上打孔,插入熱偶測量金屬板上對應(yīng)位置的溫度以代表底座溫度。這種方法有兩個問題:第一,測量結(jié)果中包括了LED與金屬板之間的接觸熱阻。對于帶有大面積基板的LED,LED與金屬板之間接觸熱阻比較小,這種方法是可行的

8、,但是對于貼裝形式的LED,這種方法就不適用了。因為貼裝形式的LED與金屬板接觸的面積很小,而且不能采用上部加壓的方法使其與金屬板緊密接觸,所以界面熱阻會比較大。第二,金屬板自身溫度并不均勻,熱偶測得的溫度并不能準確代表金屬板表面LED位置處的溫度。本文提出通過測量LED的降溫曲線,根據(jù)計算獲得LED穩(wěn)定工作時的結(jié)溫和底座的溫度,從而得到LED結(jié)溫相對底座溫度的增加值,并由此計算得到熱阻值,避免了對LED底座溫度的直接測量,使得測量LED的熱阻更加準確、方便。同時,這種方法可以用于分析大功率LED進行二次封裝時引入的熱阻,為大功率LED的封裝提供了一種有效評測手段。且一般為銅制,其內(nèi)部溫度差異

9、相比熱阻R-js等小得多。假設(shè)LED底座與環(huán)境之間的熱阻為Rs-a(包括LED底座與金屬板、金屬板與環(huán)境之間的熱阻)。圖1 LED熱阻測量裝置示意圖將LED點亮一段時間,關(guān)斷電流后,其結(jié)溫會滿足如下方程:Cj$TjTj-Ts=-R-js(1)LED芯片的熱容Cj非常小,所以可以認為關(guān)斷電流后LED向底座的散熱不會引起底座溫度Ts的變化,則Ts可以滿足以下方程:ssaCs=(2)-aRs底座初始溫度為Ts0,即:Ts=Ts0,t=0。底座將降溫到環(huán)境溫度,即:Ts=Ta,t=。解方程(2),可得底座的溫度為Ts=(Ts0-Ta)es-as+Ta(3)將上式代入式(1),得到LED結(jié)溫的表達式為T

10、j=Ae-R-jsCj-+s-as-(Ts0-Ta)eRs-aCs+TaRs-aCs-R-jsCj(4)1 測量原理1.1 物理模型LED熱阻測量裝置如圖1。待測參數(shù)為LED芯片pn結(jié)到LED底座的熱阻R-js。但是LED底座的溫度Ts難以通過直接測量得到。通常的做法是將LED緊貼在一塊金屬板上,測量金屬板此處的溫度Tm,近似視為LED底座的溫度(TmUTs)。此方法中將LED與金屬板之間的接觸熱阻Rc計入了LED的熱阻。為克服這個問題,本文提出了通過測量LED的降溫曲線來獲得LED的結(jié)溫和底座溫度的方法。假設(shè)芯片的熱容為Cj,溫度為Tj,與底座之間的熱阻為R-js;底座的熱容為Cs,溫度為T

11、s。這里假定底座的溫度基本均勻。因為底座體積很小,而#4其中,A是待定參數(shù),可以由t=0時刻的結(jié)溫確定。由于LED芯片的熱容Cj非常小,因此R-jsCj應(yīng)該非常小。圖2是實驗測得的窄脈沖激勵LED前后LED的正向電壓。脈沖約15Ls,200mA?？梢奓ED結(jié)溫在脈沖通過后升高到約55e,并在10Ls以內(nèi)降到環(huán)境溫度。通過后面的實驗可以看出,LED底座的散熱需要若干秒的時間,所以有Rs-aCsmR-jsCj。因此式(4)可以簡化為Tj=(Tj0-Ts0)e-jsj+(Ts0-Ta)e-s-as+Ta(5)由前面的分析可以得出,上式中的第一項在關(guān)斷LED的工作電流后10Ls內(nèi)衰減為0,即LED結(jié)溫

12、降低到底座溫度。此時測量Tj的衰減曲線,即為tt5半導(dǎo)體光電62009年2月第30卷第1期周長波等: 準確測量大功率LED熱阻的新方法上式中第二項的衰減曲線。通過此曲線可以推算出Ts0,即LED關(guān)斷工作電流的瞬間底座的溫度。這樣就實現(xiàn)了不通過熱偶測量而獲得LED工作時底座的溫度。結(jié)合LED工作時的結(jié)溫、功率,即可得到LED的熱阻,如圖3。(4)取LED點亮?xí)r的結(jié)溫平均值作為LED工作時的結(jié)溫Tj0,對應(yīng)的功率平均值為輸入功率P;(5)對關(guān)斷工作電流后的10s內(nèi)的結(jié)溫進行指數(shù)曲線擬合,從而得到關(guān)斷瞬間LED底座的溫度Ts0;(6)用如下公式計算LED的熱阻:R-js=(Tj0-Ts0)/P。2

13、結(jié)果與討論應(yīng)用上述方法,本論文對兩種大功率LED的熱阻進行了測試,并對結(jié)果進行了討論。2.1 國產(chǎn)鋁基板封裝大功率LED對一個國產(chǎn)的鋁基板封裝的大功率白光LED進行了熱阻測試。首先進行定標:LED正向電壓與結(jié)溫關(guān)系定標結(jié)果如圖4。圖4 LED正向電壓-溫度系數(shù)定標結(jié)果1.2 測量過程測量裝置如圖1所示,測量步驟如下:(1)分別在30e,40e,50e,60e溫度下以1mA驅(qū)動LED,測量其正向電壓,從而得到LED的正向電壓-溫度系數(shù);(2)點亮LED,并且每隔0.2s測量一次LED的工作電流、電壓以及芯片結(jié)溫。測量結(jié)溫采用的方法是:在50Ls內(nèi)將LED的工作電流切換到1mA,測量LED的正向電

14、壓以獲得LED結(jié)溫,再將工作電流切換至大電流。由圖2可知,LED切換到小電流后結(jié)溫下降很快,所以在切換電流時以2MHz的速率采集LED的正向電壓,并對采集結(jié)果進行曲線擬合,以得到電流切換的瞬間LED的正向電壓,利用此電壓計算LED的結(jié)溫;(3)待LED結(jié)溫穩(wěn)定后關(guān)斷LED的工作電流,繼續(xù)每隔0.2s測量一次LED的結(jié)溫,直至LED結(jié)溫降至室溫;使用常規(guī)方法對此LED進行了熱阻測試,結(jié)果如圖5。圖中曲線為正向電壓法所測得LED的結(jié)溫和熱偶測得的LED下方金屬板溫度之差隨工作時間的變化。測得LED的平均輸入功率為0.704W,所以LED的熱阻為:12.1e/0.704W=17.2e/W。使用本文提

15、出的方法進行測量,得LED結(jié)溫曲線如圖6。如圖6,對關(guān)斷工作電流后的結(jié)溫進行曲線擬合,得到關(guān)斷瞬間的底座溫度應(yīng)為25.2e。從而求得LED的熱阻為15.5e/W。與常規(guī)方法的測量結(jié)果相比,這個熱阻值比較小。觀察上圖,在關(guān)斷LED電流之后,6065s的時間段,LED結(jié)溫持續(xù)下降,直至降到與金屬板相同的溫度。根據(jù)前面的分析和實驗可知,在關(guān)斷電流后的10Ls內(nèi)LED結(jié)溫即降到底座的溫度,所以這幾秒鐘內(nèi)下降的結(jié)溫實際上是鋁基板與金屬板之間溫差。所以本文提出#SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol.30No.1Feb.2009的方法得到的結(jié)果更為接近LED真實的熱阻。方便,一致

16、性好,而且可以用于貼片封裝LED等常規(guī)方法難以測量的LED。(2)本文提出的測量大功率LED熱阻的方法可以用于分析二次封裝的質(zhì)量。根據(jù)前面的分析可以看出,這種方法測到的是LED芯片與LED底座之間的熱阻。在大多數(shù)情況下,需要將LED連同底座固定到鋁基板上,此時用常規(guī)方法測量LED與鋁基板之間的熱阻,再用本文方法測量LED與LED底座之間的熱阻,兩者之差即為二次封裝過程中引入的熱阻。根據(jù)這個熱阻可以判斷二次封裝的質(zhì)量和一致性。3 結(jié)論本文提出通過測量LED的降溫曲線,根據(jù)計算獲得LED穩(wěn)定工作時的結(jié)溫和底座的溫度,從而得到LED結(jié)溫相對底座溫度的增加值,并由此計算得到熱阻值,避免了對LED底座溫

17、度的直接測量,使得測量LED的熱阻更加準確、方便。本方法還可以用于測量貼片封裝LED等常規(guī)方法難以測量的LED。同時,這種方法可以用于分析大功率LED進行二次封裝時引入的熱阻,為大功率LED的封裝提2.2 某國外品牌貼片封裝大功率LED對國外某型號的貼裝大功率LED進行了熱阻測量。在不同的室溫下對此LED進行了三次測量,每次測量前調(diào)整LED與金屬板的接觸,測量結(jié)果表1。可見,常規(guī)的熱阻測量方法受LED和金屬板之間接觸情況的影響非常明顯,測量一致性不好,難以得到準確的結(jié)溫。而采用本文提出的方法測得的熱阻值比較準確、穩(wěn)定。表1某國外貼裝大功率LED熱阻測試結(jié)果0.7237.626.429.715.

18、711.00.7239.526.231.518.711.10.7031.610.9功率/W穩(wěn)定溫度/e金屬板溫度/e擬合得到底座溫度/e常規(guī)方法所得熱阻/(e/W)本文方法所得熱阻/(e/W)供了一種有效評測手段。參考文獻:1 GeLcoreJP.Thermalchallengesfacingnewgenerationlightemittingdiodes(LEDs)forlightingapplicationsJ.Proc.ofSPIE,2002,4776:215.2 吳慧穎,錢可元,胡 飛,等.倒裝大功率白光LED熱場分析與測試J.光電子#激光,2005,16(5):511-514.3 GuYimin,NarendranN.Anon-contactMethodford