LED的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性研究_百度文庫(kù)精

1、LED的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性研究2011-05-11 16:05:15文章來源：明導(dǎo)國(guó)際我來說兩句（0得讀：LED的發(fā)光性能不僅和其電學(xué)特性相關(guān)，還受其結(jié)溫影響。因此，通過實(shí)際測(cè)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(jì)過程中十分重要。本文對(duì)LED的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性進(jìn)行了協(xié)同研究。在仿真方面，完成了一個(gè)板級(jí)系統(tǒng)的電-熱仿真;在測(cè)試方面，討論了一個(gè)熱-光聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用。0關(guān)鍵字0 LED電學(xué)熱學(xué)光學(xué)特性電-熱仿真? 1簡(jiǎn)介眾所周知丄ED的有效光輻射（發(fā)光度和/或輻射通量嚴(yán)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(jí)LED,而多顆LED芯片裝配在同一個(gè)金屬基板 上的LED組件通常被稱為二級(jí)LED。當(dāng)二級(jí)LED對(duì)光的均勻性要求很高時(shí)，結(jié)溫 對(duì)LED發(fā)光效率的影響這個(gè)問題將十分突出1。文獻(xiàn)2中提到，可以利用一級(jí)LED的電、熱、光協(xié)同模型來預(yù)測(cè)二級(jí) LED的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性。前提是需要對(duì)LED的散熱環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確建模。140- Cyan Phalomolric 一- B lue P holom-etric 臺(tái) IMifte Plholo metric一 Royal Blue RadicmetricCyan Phalomolric dU* Blue P holom-etric12° 臺(tái)

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(shí)測(cè)利用結(jié)構(gòu)函數(shù)來獲取LED封裝的熱模型,并將簡(jiǎn)單描述一下我們用來進(jìn)行測(cè)試的一種新型測(cè)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(kuò)展應(yīng)用到板級(jí)的熱仿真以幫助優(yōu)化封裝 結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化熱模型。在文章的

4、最后我們將介紹一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。2.建立LED封裝的簡(jiǎn)化熱模型關(guān)于半導(dǎo)體封裝元器件的簡(jiǎn)化熱模型（CTMs的建立，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了超過10 年的討論?，F(xiàn)在，對(duì)于建立封裝元器件特別是IC封裝的獨(dú)立于邊界條件的穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)化 熱模型（CTMs,大家普遍認(rèn)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(duì)CTM進(jìn)行擴(kuò)展,擴(kuò)展后的模型稱之為瞬態(tài)簡(jiǎn)化熱模型（DCTMs。歐盟通過PROFIT項(xiàng)目7制定了建立元器件DCTM的方法，并且同時(shí)擴(kuò) 展了熱仿真工具6的功能以便能夠?qū)CTM模型進(jìn)行仿真計(jì)算。當(dāng)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(duì)元件進(jìn)行建模。2.1直接利用測(cè)試結(jié)果建立LED封裝的模型仔細(xì)研究一個(gè)典型的LED封裝及其典型的應(yīng)用環(huán)境（圖2,我們會(huì)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(jí)皿中昭環(huán)科如童，間攔卿肋定于皿希冏對(duì)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(zhǔn)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(duì)于一級(jí)LED來說，此熱阻值可用熱瞬態(tài)測(cè)試儀器按照雙接觸面法9進(jìn)行測(cè)試來得到。圖3和圖4所示的是RthJC的另外一

6、種測(cè)試方法。這種方法用兩步測(cè)試完成了 對(duì)一個(gè)二級(jí)LED組件的測(cè)試工作,這兩步的測(cè)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(shí)，由于在第二種條件下加入的薄層材料會(huì)讓測(cè)試曲線發(fā)生分離，通過分離點(diǎn)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(cè)試得出的結(jié) 構(gòu)函數(shù)可幫助實(shí)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(gè)完整的熱阻熱 容網(wǎng)絡(luò)圖，這些熱阻熱容值準(zhǔn)確的描述了結(jié)-環(huán)境熱流路徑的散熱特性。對(duì)積分結(jié)構(gòu) 函數(shù)進(jìn)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(xiàn)8中提到的基于NID的模型生成方法，是在時(shí)間常數(shù)上進(jìn)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(huì)有 多條熱流路徑，當(dāng)附加在封裝表面的邊界條件不同時(shí)，則不能把生成的階梯型RC模 型認(rèn)為是獨(dú)立于邊界條件的模型?對(duì)于LED來說,封裝內(nèi)部?jī)H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L(zhǎng)ED在不同的實(shí)際散熱環(huán)境下測(cè)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(dú)立于邊界條件的，改變測(cè) 試環(huán)境（在我們的例子中：插入了塑料薄層材料并不會(huì)影響描述封裝內(nèi)部詳細(xì)散熱性能的那部分結(jié)構(gòu)函數(shù)。文獻(xiàn)11中同樣提到，改變一級(jí)LED的熱沉的表面接觸特性并不會(huì)對(duì)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(jìn)入MCPCB之前的一段熱流路徑的階梯狀模型，是適合于當(dāng)我們做類似于圖2所示的二 級(jí)LED或者類似于圖8所示的LED組件的板級(jí)熱分析時(shí)，用來模擬單個(gè)LED封裝 的散熱熱性的。文獻(xiàn)11中還提到

9、了封裝級(jí)LED的更詳細(xì)的建模方法。2.2 LED的熱-光協(xié)同測(cè)試半導(dǎo)體器件的熱瞬態(tài)測(cè)試基于的是電學(xué)的測(cè)試方法12。常規(guī)元器件的熱阻（或者瞬態(tài)時(shí)的熱阻特性曲線可以用測(cè)得的元器件溫升和輸入的電能來計(jì)算得到。但是 對(duì)于大功率LED來說，這個(gè)方法并不適合,這是因?yàn)檩斎肟傠娔艿?040%會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)?有效的可見光輸出。也正是因?yàn)檫@樣，我們?cè)诶弥苯訙y(cè)試的方法去建立 LED封裝的熱模型時(shí)都需要把有效的可見光輸出的能量去掉。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套如圖5所示的測(cè)試系統(tǒng)用它可以實(shí)現(xiàn)LED封裝的熱-光協(xié)同測(cè)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(cè)量系竦（LEOS裝于一個(gè)熱電劇冷片上電手工«*ofl被測(cè)元件固定于一個(gè)熱電制冷片上，而熱電制冷片安裝在一個(gè)滿足 CIE13規(guī)范 和推薦設(shè)置的積分球中。在進(jìn)行光測(cè)量時(shí)，熱電制冷片可保證LED的溫度穩(wěn)定,而在行熱測(cè)試時(shí)，它就是LED的散熱冷板。在熱和電的條件都不變的前提下對(duì) LED或LED組件進(jìn)行光測(cè)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(dāng)所有的光測(cè)量完成后，我們將被測(cè)LED關(guān)掉，并用MicReD公司的T3Ster儀器對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)冷卻過程測(cè)量。在用T3Ster進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們使用與測(cè)試二極管時(shí)相同的測(cè)試儀器設(shè)置

11、。熱瞬態(tài)測(cè)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(jì)算出來。根據(jù)瞬態(tài)冷卻曲線，并同時(shí)考慮元件的有效光能輸出，我們可以計(jì)算出被測(cè)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(jí)電-熱仿真3.1用同步迭代法進(jìn)行電-熱封閉仿真的原理我們用同步迭代法1415進(jìn)行處在電路中的半導(dǎo)體元件的電-熱仿真。對(duì)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M(jìn)CPCB上的LED,其熱簡(jiǎn)化模型的邊界條件獨(dú)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(gè)條件應(yīng)該盡量

12、接近實(shí)際應(yīng)用情況?；谶吔鐥l件的基板模型可根據(jù)實(shí)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(jìn)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(gè)元件都用一個(gè) 熱節(jié)點(diǎn)來代替（如圖7。元器件的發(fā)熱量通過熱節(jié)點(diǎn)來驅(qū)動(dòng)整個(gè)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(jì)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(jìn)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(jiǎn)化熱模型對(duì)于任何基于同步迭代法進(jìn)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(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化熱模型。在處理這 個(gè)問題時(shí)，可以把熱網(wǎng)絡(luò)模型看成是一個(gè)有 N個(gè)端口的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于其中任何一個(gè)端口來說,它都對(duì)應(yīng)某個(gè)半導(dǎo)體元器件（如圖7o這個(gè)N端口模型通過N個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)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(shí)，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(shí)間或者頻域響應(yīng)來生成簡(jiǎn)化熱模型818。用一個(gè)快速的熱仿真工具19對(duì)響應(yīng)曲線進(jìn)行計(jì)算，即可得到用NxN表示的、涵蓋所有時(shí)間常數(shù)范 圍的基板熱特性曲線。然后把時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)換成RC,即可用RC的組合得到一個(gè)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(gè)熱阻網(wǎng)絡(luò)即可和電網(wǎng)絡(luò)一起用高

14、效的計(jì)算方法進(jìn)行仿真計(jì)算20 0圖7:安裝于一個(gè)用N-Port方法建立的基板簡(jiǎn)化熱模型上的二極管的電-熱模型 示意圖？ 3.3板級(jí)擴(kuò)展熱仿真計(jì)算器會(huì)對(duì)回路中每一個(gè)熱源進(jìn)行熱時(shí)間常數(shù)的自動(dòng)計(jì)算。對(duì)于芯片級(jí) 的IC來說這種計(jì)算方法非常適用。當(dāng)器件的電性能與溫度的相關(guān)性不大時(shí)我們可以使用僅進(jìn)行熱仿真計(jì)算”模式。熱仿真計(jì)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(duì)DCTM及PWB的詳細(xì)模型一起進(jìn)行仿真計(jì)算,我們就能得到元件以及基板的溫度在進(jìn)行電-熱協(xié)同仿真時(shí)，通常不僅想了解溫度變化的情況，同時(shí)還想了解溫度對(duì) 電波形的瞬態(tài)影響。我們近期對(duì)儀器的功能進(jìn)行了擴(kuò)展 ，擴(kuò)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(duì)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(jì)算得到。在用DCTM建立圭寸裝自身的模型時(shí)，其N端口網(wǎng)絡(luò)模型還應(yīng)該同時(shí)考慮到管腳結(jié)構(gòu)形式對(duì)模型的影響。將DCTM模型放到到元件管腳對(duì)應(yīng)的基板位置以及元件自身電 -熱模型的結(jié)對(duì)應(yīng)的位置之間，然后即可用電-熱仿真工具進(jìn)行求解計(jì)算。4. 不同結(jié)構(gòu)LED的模型對(duì)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(gè)熱量才是應(yīng)該附加給封裝簡(jiǎn)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(duì)于有些LED,它們有可能存在一個(gè)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(gè)嘗註的醸定方法很簡(jiǎn) 2.2節(jié)屯找們?cè)鲩T 用協(xié)同測(cè)g的方法碗連尸唧-用直樣的電聲逹婆方式寶可亠測(cè)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(yuǎn)，通過這個(gè)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(duì)于熱電 阻型來說，串聯(lián)電阻產(chǎn)生的熱量會(huì)和結(jié)產(chǎn)生的熱量一起沿著結(jié)-管腳的熱流路徑流動(dòng)， 而對(duì)于冷電阻型來說，熱則沿著不同的路徑流動(dòng)。在建立 LED的電-熱仿真模型時(shí),定要注意到這個(gè)不同點(diǎn)。5. 應(yīng)用實(shí)例我們研究了如

17、圖8所示的RGB LED模塊。模塊中的三個(gè)LED采用的都是標(biāo)準(zhǔn)封裝。甚至在此例中綠光LED和藍(lán)光LED的結(jié)的結(jié)構(gòu)都是非常相似的。圖8:研究對(duì)象LED模塊5.1測(cè)試我們不但進(jìn)行了單獨(dú)的熱瞬態(tài)測(cè)試還進(jìn)行 了熱-光協(xié)同測(cè)試。熱瞬態(tài)測(cè)試在 JEDEC標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試箱和附加冷板兩種不同的條件下進(jìn)行。圖9顯示的是在冷板（Gdriv_CP）上和在靜態(tài)測(cè)試箱（Gdriv）中測(cè)得 的綠光LED在驅(qū)動(dòng)點(diǎn)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(shí)，熱流路徑產(chǎn)生分離。這個(gè)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)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(duì)流熱阻。

18、在使用冷板時(shí)，對(duì)流的作用可以忽略不計(jì)。GtoR和GtoB是用綠光LED做加熱驅(qū)動(dòng)時(shí)測(cè)量的紅光LED和藍(lán)光LED特性曲線。我們還在積分球中進(jìn)行了 LED發(fā)光效率的測(cè)試。發(fā)現(xiàn)綠光 LED的發(fā)光效率會(huì)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(jí)熱仿真分析。對(duì)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(biāo)準(zhǔn)化的LED電 模型，其參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際LED元件的特性參數(shù)來確定。？ 5.2仿真我們建立了這個(gè)包含三個(gè)LED封裝的LED模塊的熱模型：用3*3mm的方塊來代替實(shí)際器件圓 型的管腳，在笛卡爾坐標(biāo)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(gè)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