LED的電學、熱學及光學特性研究_百度文庫精

1、LED的電學、熱學及光學特性研究2011-05-11 16:05:15文章來源：明導(dǎo)國際我來說兩句（0得讀：LED的發(fā)光性能不僅和其電學特性相關(guān)，還受其結(jié)溫影響。因此，通過實際測試和仿真工具來研究其散熱性能及熱管理方法在LED的設(shè)計過程中十分重要。本文對LED的電學、熱學及光學特性進行了協(xié)同研究。在仿真方面，完成了一個板級系統(tǒng)的電-熱仿真;在測試方面，討論了一個熱-光聯(lián)合測試系統(tǒng)的應(yīng)用。0關(guān)鍵字0 LED電學熱學光學特性電-熱仿真? 1簡介眾所周知丄ED的有效光輻射（發(fā)光度和/或輻射通量嚴重受其結(jié)溫影響（如圖一 所示，數(shù)據(jù)來源于Lumileds Luxeon DS25的性能數(shù)據(jù)表。單顆LED封

2、裝通常被稱為一級LED,而多顆LED芯片裝配在同一個金屬基板 上的LED組件通常被稱為二級LED。當二級LED對光的均勻性要求很高時，結(jié)溫 對LED發(fā)光效率的影響這個問題將十分突出1。文獻2中提到，可以利用一級LED的電、熱、光協(xié)同模型來預(yù)測二級 LED的電學、熱學及光學特性。前提是需要對LED的散熱環(huán)境進行準確建模。140- Cyan Phalomolric 一- B lue P holom-etric 臺 IMifte Plholo metric一 Royal Blue RadicmetricCyan Phalomolric dU* Blue P holom-etric12° 臺

3、Plholo metric110-一 Royal Blue Radiomotdc100' 90 8070QQlJunction Temperature. T(°C)Junction fgrriperature. T(°C)20020406080100H 1：綠能到趙比門炭白兄迫LED有效A輻射幻站址酹簾半室毎I岡r| H *1本文第2節(jié)中我將討論怎樣通過實測利用結(jié)構(gòu)函數(shù)來獲取LED封裝的熱模型,并將簡單描述一下我們用來進行測試的一種新型測試系統(tǒng)。第3節(jié)中，首先我們回顧了電-熱仿真工具的原理，然后將此原理擴展應(yīng)用到板級的熱仿真以幫助優(yōu)化封裝 結(jié)構(gòu)的簡化熱模型。在文章的

4、最后我們將介紹一個應(yīng)用實例。2.建立LED封裝的簡化熱模型關(guān)于半導(dǎo)體封裝元器件的簡化熱模型（CTMs的建立，學術(shù)界已經(jīng)進行了超過10 年的討論。現(xiàn)在，對于建立封裝元器件特別是IC封裝的獨立于邊界條件的穩(wěn)態(tài)簡化 熱模型（CTMs,大家普遍認同DEL PHI近似處理方法34 5。為了研究元器件的瞬態(tài)散熱性能，我們需要對CTM進行擴展,擴展后的模型稱之為瞬態(tài)簡化熱模型（DCTMs。歐盟通過PROFIT項目7制定了建立元器件DCTM的方法，并且同時擴 展了熱仿真工具6的功能以便能夠?qū)CTM模型進行仿真計算。當CTM應(yīng)用在 特定的邊界條件下或者封裝元器件自身僅有一條結(jié) -環(huán)境的熱流路徑，則可以用NID

5、 （熱阻網(wǎng)絡(luò)自定義方法8來對元件進行建模。2.1直接利用測試結(jié)果建立LED封裝的模型仔細研究一個典型的LED封裝及其典型的應(yīng)用環(huán)境（圖2,我們會發(fā)現(xiàn)丄ED芯 片產(chǎn)生的熱量基本上是通過一條單一的熱流路徑 ：芯片-散熱塊-MC PCB基板，流出LED封裝的。LED 創(chuàng) pIhBat-oimgkjcMCPCB *圖2二級皿中昭環(huán)科如童，間攔卿肋定于皿希冏對于穩(wěn)態(tài)建模來說，封裝的散熱特性可以通過RthJC即結(jié)-殼熱阻來準確描述，結(jié)-殼熱阻指的是從LED芯片到其自身封裝散熱塊表面之間的熱阻。對于一級LED來說，此熱阻值可用熱瞬態(tài)測試儀器按照雙接觸面法9進行測試來得到。圖3和圖4所示的是RthJC的另外一

6、種測試方法。這種方法用兩步測試完成了 對一個二級LED組件的測試工作,這兩步的測試條件分別為：第一種條件一一直接把MCPCB安裝到冷板上第二種條件一一在MCPCB與冷板之間添加一層很薄的塑料薄層If »円A *-cd 1W1R!111111g革 1|!J一-1. dW1 |,_, j<14Itl1III権3-H 気占和 MCPDB匚tWk：咒厘干聲工甩鼻由于銅和膠的導(dǎo)熱系數(shù)不一樣，從結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線上即可方便的讀出RthJC的值。同時，由于在第二種條件下加入的薄層材料會讓測試曲線發(fā)生分離，通過分離點即可很方便的分辨出結(jié)-板之間的熱阻值。如果需要建立LED封裝的瞬態(tài)熱模型，則需要用一

7、條合適的熱阻特性曲線來代 替固定的RthJC熱阻值來描述結(jié)-殼熱流路徑的散熱特性。從熱瞬態(tài)測試得出的結(jié) 構(gòu)函數(shù)可幫助實現(xiàn)瞬態(tài)熱模型的建立。積分形式的結(jié)構(gòu)函數(shù)即是一個完整的熱阻熱 容網(wǎng)絡(luò)圖，這些熱阻熱容值準確的描述了結(jié)-環(huán)境熱流路徑的散熱特性。對積分結(jié)構(gòu) 函數(shù)進行階梯近似即可得到熱流路徑上不同物理結(jié)構(gòu)的折算熱阻和熱容值。（在文獻8中提到的基于NID的模型生成方法，是在時間常數(shù)上進行的離散化。這種方法已經(jīng)被成功用于生成堆疊芯片的模型生成 10。這種圭寸裝中通常會有 多條熱流路徑，當附加在封裝表面的邊界條件不同時，則不能把生成的階梯型RC模 型認為是獨立于邊界條件的模型?對于LED來說,封裝內(nèi)部僅有

8、一條熱流路徑，則階梯型RC模型可以作為描述LED封裝熱性能的一種非常合適的模型。下圖所示為LED在不同的實際散熱環(huán)境下測得的結(jié)構(gòu)函數(shù)圖形，從圖中可以看出丄ED的熱模型是獨立于邊界條件的，改變測 試環(huán)境（在我們的例子中：插入了塑料薄層材料并不會影響描述封裝內(nèi)部詳細散熱性能的那部分結(jié)構(gòu)函數(shù)。文獻11中同樣提到，改變一級LED的熱沉的表面接觸特性并不會對熱流路徑上位于其之前的部分產(chǎn)生影響。因此，圖3所示的、在熱流進入MCPCB之前的一段熱流路徑的階梯狀模型，是適合于當我們做類似于圖2所示的二 級LED或者類似于圖8所示的LED組件的板級熱分析時，用來模擬單個LED封裝 的散熱熱性的。文獻11中還提到

9、了封裝級LED的更詳細的建模方法。2.2 LED的熱-光協(xié)同測試半導(dǎo)體器件的熱瞬態(tài)測試基于的是電學的測試方法12。常規(guī)元器件的熱阻（或者瞬態(tài)時的熱阻特性曲線可以用測得的元器件溫升和輸入的電能來計算得到。但是 對于大功率LED來說，這個方法并不適合,這是因為輸入總電能的1040%會轉(zhuǎn)變?yōu)?有效的可見光輸出。也正是因為這樣，我們在利用直接測試的方法去建立 LED封裝的熱模型時都需要把有效的可見光輸出的能量去掉。為此，我們設(shè)計了一套如圖5所示的測試系統(tǒng)用它可以實現(xiàn)LED封裝的熱-光協(xié)同測試。M -74眄.ijd c. ；士燉甜血諂*沖岱dt心業(yè)31旦£結(jié) fiuce戲工一人血山血14叢 J

10、、W5,違接fiT3Stef熱1»態(tài)試儀的一金兄測量系竦（LEOS裝于一個熱電劇冷片上電手工«*ofl被測元件固定于一個熱電制冷片上，而熱電制冷片安裝在一個滿足 CIE13規(guī)范 和推薦設(shè)置的積分球中。在進行光測量時，熱電制冷片可保證LED的溫度穩(wěn)定,而在行熱測試時，它就是LED的散熱冷板。在熱和電的條件都不變的前提下對 LED或LED組件進行光測試，我們可以得到在特定情況下的 LED發(fā)光功率（如圖6所當所有的光測量完成后，我們將被測LED關(guān)掉，并用MicReD公司的T3Ster儀器對其進行瞬態(tài)冷卻過程測量。在用T3Ster進行測量時，我們使用與測試二極管時相同的測試儀器設(shè)置

11、。熱瞬態(tài)測試可以給出熱阻值，所以元器件的結(jié)溫可以通過熱電制冷片的溫度反 推計算出來。根據(jù)瞬態(tài)冷卻曲線，并同時考慮元件的有效光能輸出，我們可以計算出被測元件的熱阻特性曲線。而熱阻特性曲線又可以被轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，從結(jié)構(gòu)函數(shù)中即可用前面討論的方法得到LED封裝的CTM模型。3. 板級電-熱仿真3.1用同步迭代法進行電-熱封閉仿真的原理我們用同步迭代法1415進行處在電路中的半導(dǎo)體元件的電-熱仿真。對于安裝于基板上的有源半導(dǎo)體器件來說（如大型芯片上的晶體管或者MCPCB上的LED,其熱簡化模型的邊界條件獨立性十分重要，這就要求其基板與元 件自身的接觸面以及基板與散熱環(huán)境之間的關(guān)系這兩個條件應(yīng)該盡量

12、接近實際應(yīng)用情況?；谶吔鐥l件的基板模型可根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境來確定。然后，包含元件和基板的熱阻網(wǎng)絡(luò)就可以和電路一起用同步迭代法進行協(xié)同求解了。我們用半導(dǎo)體元件的電-熱模型把電、熱兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)同起來：每個元件都用一個 熱節(jié)點來代替（如圖7。元器件的發(fā)熱量通過熱節(jié)點來驅(qū)動整個熱網(wǎng)絡(luò)模型。元件的電參數(shù)與其溫度有關(guān)，可根據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的計算結(jié)果推算出來。利用電壓與電阻 之間的關(guān)系以及溫差與熱阻之間的關(guān)系，電和熱的網(wǎng)絡(luò)可進行聯(lián)立迭代求解，并可以給出一 組封閉解1617。3.2基板的簡化熱模型對于任何基于同步迭代法進行電-熱協(xié)同仿真的仿真工具來說，最核心的問題都 是怎樣生成并高效處理與與散熱邊界條件相關(guān)的基板的

13、動態(tài)簡化熱模型。在處理這 個問題時，可以把熱網(wǎng)絡(luò)模型看成是一個有 N個端口的網(wǎng)絡(luò)，對于其中任何一個端口來說,它都對應(yīng)某個半導(dǎo)體元器件（如圖7o這個N端口模型通過N個驅(qū)動點的阻力 特征來描述給定半導(dǎo)體元器件到環(huán)境的熱阻特征 ，同時，用Nx（N-1傳熱熱阻來描述 同一塊基板上不同元器件之間的耦合熱阻。NID方法用的是時間或者頻域響應(yīng)來生成簡化熱模型818。用一個快速的熱仿真工具19對響應(yīng)曲線進行計算，即可得到用NxN表示的、涵蓋所有時間常數(shù)范 圍的基板熱特性曲線。然后把時間常數(shù)轉(zhuǎn)換成RC,即可用RC的組合得到一個階梯狀熱阻網(wǎng)絡(luò)（階梯數(shù)目的多少可根據(jù)需要的精度來確定，這個熱阻網(wǎng)絡(luò)即可和電網(wǎng)絡(luò)一起用高

14、效的計算方法進行仿真計算20 0圖7:安裝于一個用N-Port方法建立的基板簡化熱模型上的二極管的電-熱模型 示意圖？ 3.3板級擴展熱仿真計算器會對回路中每一個熱源進行熱時間常數(shù)的自動計算。對于芯片級 的IC來說這種計算方法非常適用。當器件的電性能與溫度的相關(guān)性不大時我們可以使用僅進行熱仿真計算”模式。熱仿真計算器現(xiàn)在是可以直接使用半導(dǎo)體封裝的DCTM模型的。通過對DCTM及PWB的詳細模型一起進行仿真計算,我們就能得到元件以及基板的溫度在進行電-熱協(xié)同仿真時，通常不僅想了解溫度變化的情況，同時還想了解溫度對 電波形的瞬態(tài)影響。我們近期對儀器的功能進行了擴展 ，擴展后的儀器適用于用來生成固定

15、于任何基板上的半導(dǎo)體元件的用于電-熱仿真的DCTM模型21。對于基板的N端口網(wǎng)絡(luò)模型來說，可以用和芯片的網(wǎng)絡(luò)模型相同的方法來計算得到。在用DCTM建立圭寸裝自身的模型時，其N端口網(wǎng)絡(luò)模型還應(yīng)該同時考慮到管腳結(jié)構(gòu)形式對模型的影響。將DCTM模型放到到元件管腳對應(yīng)的基板位置以及元件自身電 -熱模型的結(jié)對應(yīng)的位置之間，然后即可用電-熱仿真工具進行求解計算。4. 不同結(jié)構(gòu)LED的模型對于LED來說，其發(fā)熱功率應(yīng)該等于總輸入功率減去有效發(fā)光功率，這個熱量才是應(yīng)該附加給封裝簡化熱模型的功率值Pheat = Pel - Popt在我們前面的研究工作中提到，對于有些LED,它們有可能存在一個由串聯(lián)電阻 產(chǎn)生的

16、固定熱損耗2。因此，總發(fā)熱量應(yīng)該等于結(jié)和串聯(lián)電阻發(fā)熱量之和P 二尸一尸 P口 h亍電扌工Hrt中吒為總釣人咗別虧 耳為審聯(lián)電陰的發(fā)憩這個嘗註的醸定方法很簡 2.2節(jié)屯找們曾出門 用協(xié)同測g的方法碗連尸唧-用直樣的電聲逹婆方式寶可亠測旳聯(lián)空陣，的發(fā)熱串聯(lián)電阻的位置可能跟結(jié)的位置非常接近，也可能離得非常遠，通過這個特征我 們可以把LED的熱模型分為熱電阻型和冷電阻型兩類。它們的區(qū)別在于，對于熱電 阻型來說，串聯(lián)電阻產(chǎn)生的熱量會和結(jié)產(chǎn)生的熱量一起沿著結(jié)-管腳的熱流路徑流動， 而對于冷電阻型來說，熱則沿著不同的路徑流動。在建立 LED的電-熱仿真模型時,定要注意到這個不同點。5. 應(yīng)用實例我們研究了如

17、圖8所示的RGB LED模塊。模塊中的三個LED采用的都是標準封裝。甚至在此例中綠光LED和藍光LED的結(jié)的結(jié)構(gòu)都是非常相似的。圖8:研究對象LED模塊5.1測試我們不但進行了單獨的熱瞬態(tài)測試還進行 了熱-光協(xié)同測試。熱瞬態(tài)測試在 JEDEC標準靜態(tài)測試箱和附加冷板兩種不同的條件下進行。圖9顯示的是在冷板（Gdriv_CP）上和在靜態(tài)測試箱（Gdriv）中測得 的綠光LED在驅(qū)動點附近的熱阻特征。在圖中可以 看到在什么溫度下以及在熱阻值是多少時，熱流路徑產(chǎn)生分離。這個測試結(jié)果驗證了我們前面的論述：LED封裝內(nèi)部可以假設(shè)熱沿著唯一的通道從結(jié)流向其熱沉。在圖中同樣 可以讀出在靜止空氣中的對流熱阻。

18、在使用冷板時，對流的作用可以忽略不計。GtoR和GtoB是用綠光LED做加熱驅(qū)動時測量的紅光LED和藍光LED特性曲線。我們還在積分球中進行了 LED發(fā)光效率的測試。發(fā)現(xiàn)綠光 LED的發(fā)光效率會隨著冷板溫度的升高而下降，這與圖 6顯示的情況類似。LED封裝的DCTM模型可通過2.1節(jié)中講到的流程來生成，此模型可用于LED的板級熱仿真分析。對于用于電-熱仿真工具的LED模型，模型中的電模型部分用的是 標準化的LED電 模型，其參數(shù)應(yīng)根據(jù)實際LED元件的特性參數(shù)來確定。？ 5.2仿真我們建立了這個包含三個LED封裝的LED模塊的熱模型：用3*3mm的方塊來代替實際器件圓 型的管腳，在笛卡爾坐標系中即可建立LED模塊的近似幾何模型。 如下圖所示 的考爾型RC網(wǎng)絡(luò)模型即是我們用來描述 LED封裝的DCTM模型。把三個LED封裝安裝在面積為30*30mmA2、為2.5mm的鋁基板上構(gòu)成我們 厚度研究的LED模塊