LED熱學(xué)參數(shù)測(cè)試研究

1、LED熱學(xué)設(shè)計(jì)的目的在于預(yù)言熱學(xué)設(shè)計(jì)的目的在于預(yù)言LED芯片的芯片的結(jié)溫，所謂結(jié)溫是指結(jié)溫，所謂結(jié)溫是指LED芯片芯片PN結(jié)的溫度。結(jié)的溫度。HPinitialPfinalHJJCPTTPTHPinitialPfinalHJJCPTTPTHPPinitialT芯片耗散功率芯片耗散功率熱平衡初始管殼溫度熱平衡初始管殼溫度熱平衡最終管殼溫度熱平衡最終管殼溫度PfinalTHPinitialPfinalHJJCPTTPT LED結(jié)到管殼之間形結(jié)到管殼之間形成的熱阻。成的熱阻。 要求一個(gè)無窮大熱沉要求一個(gè)無窮大熱沉和管殼頂面相接觸。和管殼頂面相接觸。 可以用內(nèi)部嵌有熱電可以用內(nèi)部嵌有熱電偶的大塊無氧銅

2、替代。偶的大塊無氧銅替代。 記錄熱沉的溫度變化，記錄熱沉的溫度變化，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)測(cè)試達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)測(cè)試。結(jié)環(huán)境熱阻結(jié)環(huán)境熱阻JAJAHAinitialAfinalHJJAPTTPTAinitialTHAinitialAfinalHJJAPTTPTAinitialTAfinalT分別表示容器內(nèi)一個(gè)限定位置的熱平衡初始和最終溫度。 LED結(jié)到周圍結(jié)到周圍環(huán)環(huán) 境形成的熱阻。境形成的熱阻。 測(cè)試時(shí)，器件放測(cè)試時(shí)，器件放入入 1立方英尺容器。立方英尺容器。 僅對(duì)自然對(duì)流冷僅對(duì)自然對(duì)流冷卻環(huán)境估算結(jié)溫有卻環(huán)境估算結(jié)溫有用。用。自然對(duì)流自然對(duì)流(靜止空氣靜止空氣)熱參數(shù)測(cè)量腔熱參數(shù)測(cè)量腔JMALED PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)

3、生的熱量從芯片開始沿著下述熱學(xué)通道傳輸：結(jié)內(nèi)產(chǎn)生的熱量從芯片開始沿著下述熱學(xué)通道傳輸：PN結(jié)結(jié)(junction)反射腔反射腔(slug)印刷板印刷板(board)環(huán)境環(huán)境(ambient) JS為芯片和芯片粘結(jié)劑到反射腔之間形成的熱阻為芯片和芯片粘結(jié)劑到反射腔之間形成的熱阻為反射腔，環(huán)氧樹脂到印刷板間的熱阻。為反射腔，環(huán)氧樹脂到印刷板間的熱阻。為印刷板和接觸環(huán)境空氣的熱沉之間組合為印刷板和接觸環(huán)境空氣的熱沉之間組合的熱阻的熱阻JSSBBABASBJSJA結(jié)溫計(jì)算結(jié)溫計(jì)算:JAdAJPTTBJBJBJRNLEDRLEDRArrayTotal _)(1_) 1 (1_1多元多元LED產(chǎn)品的熱阻可

4、產(chǎn)品的熱阻可以采用并聯(lián)熱阻的模型以采用并聯(lián)熱阻的模型來確定來確定.NREmitterLEDRArrayTotalBJBJ_NREmitterLEDRArrayTotalBJBJ_BJBJBJRNLEDRLEDRArrayTotal _)(1_) 1 (1_1BSSJBJRRR 在低正向電流時(shí)，在低正向電流時(shí)，PN結(jié)溫升結(jié)溫升和正向電壓增量成線性相關(guān)。和正向電壓增量成線性相關(guān)。相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)K即溫度即溫度-電壓敏感電壓敏感系數(shù)系數(shù),單位單位: 開關(guān)置開關(guān)置1,加電流加電流IM,測(cè)得正向電壓測(cè)得正向電壓VFi。 開關(guān)置開關(guān)置2,快速加上加熱電流快速加上加熱電流IH,測(cè)量測(cè)量 正向電壓正向電壓VH

5、 開關(guān)置開關(guān)置1,快速加電流快速加電流IM,測(cè)量正向測(cè)量正向 電壓電壓VFf。 VF= VFi- VFf Ti =K VF TJ=TJi+ Ti 這里這里TJi是測(cè)量開始前是測(cè)量開始前LED結(jié)溫結(jié)溫 的初始溫度。的初始溫度。 mvC/ 選擇至關(guān)重要。除取典型值0.1,1.0,5.0,10.0mA外，可取伏安特性的擊穿點(diǎn)。MItMD:measurement delay timetSW:sample window timeHHFJXVIVKKbaK被測(cè)器件撤除加熱電流的被測(cè)器件撤除加熱電流的瞬間，結(jié)溫立即下降，但瞬間，結(jié)溫立即下降，但是電壓測(cè)量和讀數(shù)需要一是電壓測(cè)量和讀數(shù)需要一定時(shí)間定時(shí)間,因此所

6、獲得的測(cè)因此所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)有誤差。通常要作量數(shù)據(jù)有誤差。通常要作出被測(cè)器件的冷卻曲線從出被測(cè)器件的冷卻曲線從而對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。而對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。 先使溫度控制環(huán)境的初始溫度穩(wěn)定在接近室溫的低溫先使溫度控制環(huán)境的初始溫度穩(wěn)定在接近室溫的低溫 (Tlow)狀態(tài)，測(cè)量正向電壓狀態(tài)，測(cè)量正向電壓Vlow。 使溫度增加到高溫使溫度增加到高溫(Thigh),穩(wěn)定后測(cè)量穩(wěn)定后測(cè)量Vhigh的數(shù)值。的數(shù)值。highlowlowhighVVTTK 按照所施加的耗散功率和選擇合適的加熱時(shí)按照所施加的耗散功率和選擇合適的加熱時(shí) 間，就可以按下述公式計(jì)算被測(cè)器件的熱阻間，就可以按下述公式計(jì)算被測(cè)器件的熱阻。

7、HHFHJVIVKPTJX 測(cè)量測(cè)量LED熱阻時(shí)，分為穩(wěn)態(tài)熱阻和瞬態(tài)熱阻，穩(wěn)態(tài)熱熱阻時(shí)，分為穩(wěn)態(tài)熱阻和瞬態(tài)熱阻，穩(wěn)態(tài)熱 阻確定了整個(gè)器件的熱性能。測(cè)量瞬態(tài)熱阻時(shí)采用加阻確定了整個(gè)器件的熱性能。測(cè)量瞬態(tài)熱阻時(shí)采用加 熱脈沖寬度大于芯片而小于基板的熱時(shí)間常數(shù)。加熱熱脈沖寬度大于芯片而小于基板的熱時(shí)間常數(shù)。加熱 脈沖寬度通常在脈沖寬度通常在1幾百幾百ms。由于不同封裝。由于不同封裝LED的熱的熱 時(shí)間常數(shù)不同，因此選擇合適加熱脈沖寬度十分重要。時(shí)間常數(shù)不同，因此選擇合適加熱脈沖寬度十分重要。JCJCJMA熱流熱流:結(jié)結(jié) 芯片芯片 封裝底面封裝底面 殼殼 環(huán)境環(huán)境 產(chǎn)生的熱產(chǎn)生的熱=散去的熱散去的熱

8、平衡平衡加熱曲線加熱曲線:器件在不同環(huán)境器件在不同環(huán)境條件條件,施加確定施加確定的加熱功率的加熱功率PH時(shí)時(shí),熱阻和加熱時(shí)間熱阻和加熱時(shí)間的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線.JCJMAJAFlat Heat Sink 0.09 (2.3 mm) Thick5x Magnification of an Infrared Image of a biased AH101 at a case temperature near 85 C測(cè)試原理熱沉的溫度由一臺(tái)熱電制冷熱沉的溫度由一臺(tái)熱電制冷(加熱加熱)溫度控制儀進(jìn)行精確控溫；溫度控制儀進(jìn)行精確控溫；驅(qū)動(dòng)電流固定在驅(qū)動(dòng)電流固定在55mA。光譜儀的最高分辯率是。光譜儀的

9、最高分辯率是0.125cm-1占空比占空比1占空比占空比0.1從圖從圖1 中可以看出，激光器的激射模隨熱沉溫度中可以看出，激光器的激射模隨熱沉溫度Ts升高而產(chǎn)生升高而產(chǎn)生線性紅移，表明激射波數(shù)與有源區(qū)溫度線性紅移，表明激射波數(shù)與有源區(qū)溫度Tc(此時(shí)等于熱沉溫度此時(shí)等于熱沉溫度Ts)之間存在固定的關(guān)系。之間存在固定的關(guān)系。76305在在20 30的變溫范圍內(nèi)，跟蹤某一激射模的紅移，我們可的變溫范圍內(nèi)，跟蹤某一激射模的紅移，我們可以得到一個(gè)約為以得到一個(gè)約為-0.377cm-1/k的激射波數(shù)紅移溫度系數(shù)。的激射波數(shù)紅移溫度系數(shù)。 從圖中激射模的線性紅從圖中激射模的線性紅移可以估算出當(dāng)驅(qū)動(dòng)電移可以估

10、算出當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流從流從30mA增加到增加到200mA時(shí)，有源區(qū)的時(shí)，有源區(qū)的溫升為溫升為8 0C。圖圖5為同一激光器的激射光譜隨驅(qū)動(dòng)電流的變化清況。為同一激光器的激射光譜隨驅(qū)動(dòng)電流的變化清況。測(cè)量中驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬與頻率分別為測(cè)量中驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬與頻率分別為1 s和和100kHz，熱沉溫度固定在熱沉溫度固定在100C。 LED壽命壽命: LED (發(fā)光發(fā)光)強(qiáng)度強(qiáng)度(功率功率)衰退到一半初始衰退到一半初始(發(fā)發(fā) 光光)強(qiáng)度強(qiáng)度(功率功率)的時(shí)間的時(shí)間.oP=P0 exp(-t) . (1)o=0IFexp (-Ea/kTj). (2)oTj=th IFVF+Ta . (3)o利用公式利用公式(1)可以通過試驗(yàn)得到可以通過試驗(yàn)得到壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù),從而得到從而得到相同條件的器件的期望壽命