LED結(jié)溫及熱阻的測(cè)量

本文格式為Word版，下載可任意編輯——LED結(jié)溫及熱阻的測(cè)量LED結(jié)溫及熱阻的測(cè)量

LED的PN結(jié)結(jié)溫是影響LED光通量和壽命的主要因素，本文用電壓法對(duì)直插LED，食人魚LED和大功率LED的結(jié)溫柔熱阻進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在測(cè)量LED結(jié)溫的同時(shí)，研究它的光譜變化，色光LED峰值波長(zhǎng)的偏移與其結(jié)溫存在線性關(guān)系，白光LED的總能量和藍(lán)光能量比率（W/B）的變化與結(jié)溫也存在線性的關(guān)系。因此，采用非接觸式可間接測(cè)取LED的結(jié)溫。

關(guān)鍵詞:發(fā)光二極管、結(jié)溫、熱阻、峰值波長(zhǎng)、能量比

引言

發(fā)光二極管（LED）由于其亮度高、功耗低、壽命長(zhǎng)、可靠性高、易驅(qū)動(dòng)、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于交通、廣告和儀器儀表的顯示中，現(xiàn)已在特別照明中獲得應(yīng)用[1][2]，并將成為普通照明中的主要光源[3]。目前世界上生產(chǎn)和使用LED浮現(xiàn)急速上升的趨勢(shì)，但是LED存在發(fā)熱現(xiàn)象，隨著LED的工作時(shí)間和工作電流的增加，其發(fā)光強(qiáng)度和光通量會(huì)下降，壽命降低，對(duì)白光還會(huì)導(dǎo)致激發(fā)效率的下降[4]，這主要是由于LED結(jié)溫升高導(dǎo)致的。2023年Hongetal.[5]研究結(jié)果說(shuō)明，AlGaInP紅色LEDs的峰值波長(zhǎng)的偏移與結(jié)溫的變化存在線性關(guān)系。對(duì)于白光LED，隨著結(jié)溫的增加，LED發(fā)出黃光和藍(lán)光的強(qiáng)度以不同的速率下降,白光LED的總能量和藍(lán)光能量比率（W/B）與結(jié)溫存在關(guān)系。

本文首先對(duì)LED的結(jié)溫進(jìn)行研究，由此可得到LED的熱阻。然后在測(cè)量結(jié)溫的同時(shí)，測(cè)量LED光譜變化，可以得出LED的PN結(jié)結(jié)溫與色光LED峰值波長(zhǎng)或白光LED的白色/藍(lán)色能量比（W/B）之間存在一定的關(guān)系。因此可以采用非接觸式方法來(lái)進(jìn)行結(jié)溫的測(cè)量。

測(cè)量原理

LED的結(jié)溫是影響發(fā)光二極管各項(xiàng)性能指標(biāo)的一個(gè)重要因素，測(cè)量LED結(jié)溫的方法可用通過(guò)測(cè)量在不同環(huán)境溫度下LED的正向電壓的大小來(lái)得到[6]。試驗(yàn)原理如圖1所示，被測(cè)LED置于積分球內(nèi)，積分球放在恒溫箱的中間，積分球內(nèi)的光經(jīng)石英光纖導(dǎo)入SSP3112快速光譜分析儀，可以快速測(cè)取LED的峰值波長(zhǎng)或W/B比率。將熱電偶與LED管腳緊湊接觸，用測(cè)溫儀讀取不同加熱電流和不同環(huán)境溫度下的管腳溫度。恒溫箱的溫度范圍為0℃-150℃，精度1℃。PC機(jī)通過(guò)高速開關(guān)控制對(duì)LED的加熱電流(IF)和參考電流(IFR)，并測(cè)量IF和IFR下的VF和VFR。

熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱路徑是：管芯→散熱墊→印制板敷銅層→印制板→環(huán)境空氣。若LED的結(jié)溫為TJ，環(huán)境空氣的溫度為TA,散熱墊底部的溫度為Tc（TJ＞Tc＞TA。在熱的傳導(dǎo)過(guò)程中，各種材料的導(dǎo)熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻為RJC（LED的熱阻）、散熱墊傳導(dǎo)到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導(dǎo)到環(huán)境空氣的熱阻為RBA,則從管芯的結(jié)溫TJ傳導(dǎo)到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關(guān)系為：

RJA=RJC+RCB+RBA各熱阻的單位是℃/W

可以這樣理解：熱阻越小，其導(dǎo)熱性能越好，即散熱性能越好。

假使LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起，則RCB=0，則上式可寫成：

RJA=RJC+RBA

散熱的計(jì)算公式

若結(jié)溫為TJ、環(huán)境溫度為TA、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關(guān)系為：

RJA=（TJ－TA）/PD(1)

式中PD的單位是W。PD與LED的正向壓降VF及LED的正向電流IF的關(guān)系為：

PD=VF×IF(2)

假使已測(cè)出LED散熱墊的溫度TC，則(1)式可寫成：RJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PD

則RJC=(TJ－TC)/PD(3)

RBA=(TC－TC)/PD(4)

在散熱計(jì)算中，選中擇了大功率LED后，從數(shù)據(jù)資料中可找到其RJC值；當(dāng)確定LED的正向電流IF后，根據(jù)LED的VF可計(jì)算出PD；若已測(cè)出TC的溫度，則按（3）式可求出TJ來(lái)。在測(cè)TC前，先要做一個(gè)試驗(yàn)板（選擇某種PCB、確定一定的面積）、焊上LED、輸入IF電流，等穩(wěn)定后，用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)LED的散熱墊溫度TC。

在（4）式中，TC及TA可以測(cè)出，PD可以求出，則RBA值可以計(jì)算出來(lái)。若計(jì)算出TJ來(lái)，代入（1）式可求出RJA。

這種通過(guò)試驗(yàn)、計(jì)算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。假使計(jì)算出來(lái)的TJ小于要求（或等于）TJmax，則可認(rèn)為選擇的PCB及面積適合；若計(jì)算來(lái)的TJ大于要求的TJmax，則要更換散熱性能更好的PCB，或者增加PCB的散熱面積。

另外，若選擇的LED的RJC值太大，在設(shè)計(jì)上也可以更換性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使?jié)M足計(jì)算出來(lái)的TJ≤TJmax。這一點(diǎn)在計(jì)算舉例中說(shuō)明。計(jì)算舉例

這里采用了NICHIA公司的測(cè)量TC的實(shí)例中取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計(jì)算舉例。已知條件如下：

LED：3W白光LED、型號(hào)MCCW022、RJC=16℃/W。K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)量頭焊在散熱墊上。

PCB試驗(yàn)板：雙層敷銅板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面銅層面積1180mm2后面銅層面積1600mm2。

LED工作狀態(tài)：IF=500mA、VF=3.97V。

按圖9用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)TC，TC=71℃。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度TA=25℃.1.TJ計(jì)算TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TCTJ=16℃/W（500mA×3.97V）+71℃=103℃2.RBA計(jì)算

RJA=（TC－TA）/PD

=（71℃－25℃）/1.99W=23.1℃/W

3.RJA計(jì)算RJA=RJC+RBA

=16℃/W+23.1℃/W=39.1℃/W

假使設(shè)計(jì)的TJmax=90℃，則按上述條件計(jì)算出來(lái)的TJ不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要改換散熱更好的PCB或增大散熱面積，并再一次試驗(yàn)及計(jì)算，直到滿足TJ≤TJmax為止。

另外一種方法是，在采用的LED的RJC值太大時(shí)，若更換新型同類產(chǎn)品RJC=9℃/W(IF=500mA時(shí)VF=3.65V)，其他條件不變，TJ計(jì)