LED熱學參數(shù)測試研究

LED熱學參數(shù)測試研究第一頁，共42頁。引言LED器件的熱學性能會直接影響到器件發(fā)光效率、強度、光譜特性、可靠性和使用壽命。LED主要以熱阻表征其本身的熱學特性。熱阻是衡量超高亮和功率型LED器件及陣列組件熱工控制設計是否合理的最關鍵的因素。因此對LED器件的熱阻進行分析研究，采用標準化的方法進行測量，滿足檢測中心和企業(yè)需要;同時為滿足仲裁測試、數(shù)據(jù)報告等組建公共測試平臺,開發(fā)商業(yè)化的測量設備，這些都是半導體照明工程中的一項關鍵性工作。

第二頁，共42頁。熱阻基本概念所謂熱阻就是器件對散熱所產生的阻力熱阻定義為熱流通道上的溫度差與通道上耗散功率之比LED熱學設計的目的在于預言LED芯片的結溫，所謂結溫是指LED芯片PN結的溫度。第三頁，共42頁。ThermalResistance穩(wěn)態(tài)熱阻&

ThermalImpedance瞬態(tài)熱阻第四頁，共42頁。結－管殼熱阻芯片耗散功率熱平衡初始管殼溫度熱平衡最終管殼溫度?LED結到管殼之間形成的熱阻。?要求一個無窮大熱沉和管殼頂面相接觸。?可以用內部嵌有熱電偶的大塊無氧銅替代。?記錄熱沉的溫度變化，達到穩(wěn)態(tài)時測試。第五頁，共42頁。結－環(huán)境熱阻分別表示容器內一個限定位置的熱平衡初始和最終溫度。?

LED結到周圍環(huán)境形成的熱阻。?測試時，器件放入1立方英尺容器。?僅對自然對流冷卻環(huán)境估算結溫有用。第六頁，共42頁。NC-100NaturalConvectionChamber

自然對流(靜止空氣)熱參數(shù)測量腔第七頁，共42頁。流動空氣環(huán)境熱阻?固定在標準的熱試驗板上的芯片/管殼組合在流動空氣環(huán)境形成的熱阻。?管殼頂上加熱沉。?可應用于測量計算在空氣速度已知的強迫對流環(huán)境的結溫。第八頁，共42頁。WT-100

WindTunnel?測量流動空氣(強迫對流)環(huán)境芯片/管殼組合(θJMA)和管殼/熱沉組合的熱阻。?空氣從底部抽進從頂部排出。?測速儀數(shù)字顯示0.5m/s—5m/s空氣速度。?試驗區(qū)截面:20.3x20.3cm2。?T型熱電偶固定在試驗區(qū)中心邊墻上。第九頁，共42頁。LEDPN結內產生的熱量從芯片開始沿著下述熱學通道傳輸：PN結(junction)—反射腔(slug)—印刷板(board)—環(huán)境(ambient)LED熱學模型第十頁，共42頁。為芯片和芯片粘結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。為印刷板和接觸環(huán)境空氣的熱沉之間組合的熱阻第十一頁，共42頁。LED熱學模型總熱阻可以表示為從結－環(huán)境這一熱路（thermalpath）中各個單個熱阻之和。結溫計算:第十二頁，共42頁。多元LED熱阻多元LED產品的熱阻可以采用并聯(lián)熱阻的模型來確定.第十三頁，共42頁。測半導體器件熱阻的主要方法電學參數(shù)法紅外微象儀法光譜法光熱阻掃描法光功率法第十四頁，共42頁。LED熱阻測量的電學參數(shù)法在低正向電流時，PN結溫升和正向電壓增量成線性相關。相關系數(shù)K即溫度--電壓敏感系數(shù),單位:?開關置1,加電流IM,測得正向電壓VFi。?開關置2,快速加上加熱電流IH,測量正向電壓VH?開關置1,快速加電流IM,測量正向電壓VFf。?

ΔVF=│VFi--VFf│

ΔTi=K·ΔVFTJ=TJi+ΔTi這里TJi是測量開始前LED結溫的初始溫度。

第十五頁，共42頁。LED結溫測量的電流電壓波形選擇至關重要。除取典型值0.1,1.0,5.0,10.0mA外，可取伏安特性的擊穿點。第十六頁，共42頁。熱阻測試波形tMD:measurementdelaytimetSW:samplewindowtime第十七頁，共42頁。校準測量數(shù)據(jù)的冷卻曲線被測器件撤除加熱電流的瞬間，結溫立即下降，但是電壓測量和讀數(shù)需要一定時間,因此所獲得的測量數(shù)據(jù)有誤差。通常要作出被測器件的冷卻曲線從而對測量數(shù)據(jù)進行修正。第十八頁，共42頁。測量校準方法?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)，測量正向電壓Vlow。?使溫度增加到高溫(Thigh),穩(wěn)定后測量Vhigh的數(shù)值。第十九頁，共42頁。TCS-100TemperatureCalibrationSystem第二十頁，共42頁。TCS-100TemperatureCalibrationSystem?TheTCS-100isdesignedtosimplifythegatheringofdataforKFactorcalibrationofdiodes.?ThesystemcontainsaprecisioncurrentsourceforsupplyingIM,avoltmeterformeasuringVM,andaType-Tthermocouplemeasurementformonitoringtheenvironmenttemperature.?A36-pinrear-panelmountedconnectorprovidesfullKelvinconnectionforupto16devices.Eachdeviceundertestisselectedbyfront-panelpushbutton.

第二十一頁，共42頁。第二十二頁，共42頁。熱阻測量?按照所施加的耗散功率和選擇合適的加熱時間，就可以按下述公式計算被測器件的熱阻。?測量LED熱阻時，分為穩(wěn)態(tài)熱阻和瞬態(tài)熱阻，穩(wěn)態(tài)熱阻確定了整個器件的熱性能。測量瞬態(tài)熱阻時采用加熱脈沖寬度大于芯片而小于基板的熱時間常數(shù)。加熱脈沖寬度通常在1－幾百ms。由于不同封裝LED的熱時間常數(shù)不同，因此選擇合適加熱脈沖寬度十分重要。第二十三頁，共42頁。Agilent熱測試系統(tǒng)第二十四頁，共42頁。加熱曲線熱流:結芯片封裝底面殼環(huán)境

產生的熱=散去的熱平衡加熱曲線:器件在不同環(huán)境條件,施加確定的加熱功率PH時,熱阻和加熱時間的關系曲線.第二十五頁，共42頁。加熱曲線用途曲線的光滑度顯示數(shù)據(jù)聯(lián)貫性和可信度。清楚顯示熱穩(wěn)態(tài)狀況,獲得最短穩(wěn)態(tài)時間。曲線顯示管殼封裝的熱性能,采用最優(yōu)化數(shù)據(jù)PH,tH檢驗封裝工藝。顯示不同環(huán)境條件的加熱曲線有助于估計器件在其它環(huán)境下的熱性能。組合曲線可用于精確估計在不同環(huán)境條件到達熱穩(wěn)定的時間。第二十六頁，共42頁。熱沉問題(特性)FlatHeatSink0.09"(2.3mm)Thick第二十七頁，共42頁。LED熱學參數(shù)應用問題A.設置結溫極限設置合適的結溫極限是熱學設計的重點。

B.評價環(huán)境溫度數(shù)據(jù)使用產品標準或代表性測試數(shù)據(jù)來確定最差環(huán)境溫度TA

C.確定允許的耗散功率第二十八頁，共42頁。5xMagnificationofanInfraredImageofabiasedAH101atacasetemperaturenear85°C紅外微象儀法第二十九頁，共42頁。光譜法測半導體激光器熱特性在半導體激光器的熱特性表征過程中，某一驅動條件下激光器的有源區(qū)溫度Tc是一關鍵測量參數(shù)。然而，在大多數(shù)情況下，Tc并不能直接進行測量。幸運的是其它很多測量參數(shù)，如閾值電流、結電壓降以及激射波數(shù)等均與Tc有內在關系?？梢杂霉庾V法測量在不同脈沖驅動條件下激光器的激射波長，并據(jù)此得出了該激光器的結溫和熱阻。測試原理第三十頁，共42頁。在甚短脈寬脈沖與小占空比脈沖驅動條件下，激光器上承受的平均功率非常小，所以其熱效應可以忽略。此時可認為有源區(qū)溫度Tc與其熱沉溫度Ts相等，因此此時激光器激射波長與Ts之間的關系可以作為一個標準，用來確定其他脈沖驅動條件下的有源區(qū)溫度Tc。當驅動脈沖占空比增加時，激光器L承受的平均功率相應增加，有源區(qū)溫度Tc必然隨之增加，因此，此時Tc與Ts將不再相等，根據(jù)此時Ts與Tc之間的差值及激光器上承受的平均發(fā)熱功率就可得到該激光器的熱阻參數(shù)。第三十一頁，共42頁。熱沉的溫度由一臺熱電制冷(加熱)溫度控制儀進行精確控溫；驅動電流固定在55mA。光譜儀的最高分辯率是0.125cm-1占空比1％占空比0.1％從圖1中可以看出，激光器的激射模隨熱沉溫度Ts升高而產生線性紅移，表明激射波數(shù)與有源區(qū)溫度Tc(此時等于熱沉溫度Ts)之間存在固定的關系。第三十二頁，共42頁。76305在20℃～30℃的變溫范圍內，跟蹤某一激射模的紅移，我們可以得到一個約為-0.377cm-1/k的激射波數(shù)紅移溫度系數(shù)。第三十三頁，共42頁。當脈寬增加時，激光器的激射模出現(xiàn)了線性紅移。這一紅移說明隨著平均功率的增加，熱效應將導致激光器的有源區(qū)出現(xiàn)明顯的溫升。當脈寬從100ns增加到4μs時，激射模的線性紅移量為3.868cm-1，以在100ns脈寬脈沖驅動下所測得的-0.377cm-1/K的波長變化溫度系數(shù)，可從圖3估算出此時有源區(qū)的溫升約為100C。

圖3為熱沉溫度為10℃時在不同脈寬脈沖驅動下激光器的激射光譜，此時脈沖頻率仍為100kHz。第三十四頁，共42頁。從圖中激射模的線性紅移可以估算出當驅動電流從30mA增加到200mA時，有源區(qū)的溫升為80C。圖5為同一激光器的激射光譜隨驅動電流的變化清況。測量中驅動脈沖的脈寬與頻率分別為1μs和100kHz，熱沉溫度固定在100C。第三十五頁，共42頁。LED壽命:LED(發(fā)光)強度(功率)衰退到一半初始(發(fā)光)強度(功率)的時間.P=P0exp(-βt)…….(1)β=β0IFexp(-Ea/kTj).(2)Tj=θthIFVF+Ta..……(3)利用公式(1)可以通過試驗得到壽命試驗數(shù)據(jù),從而得到相同條件的器件的期望壽命.例如,用DC50mA試驗得到300小時數(shù)據(jù),進而可推算300小時后的期望壽命.由公式(1)(2)(3)可得到相同LED在不同條件的壽命數(shù)據(jù).LED結溫和壽命第三十六頁，共42頁。MTTF(Mean

TimeBetweenFailure)和結溫平均無故障時間:

MTTF=A*e(Ea/kT)A=3.71x10-12(hrs)(Pre-exponentialFactor)k=8.617x10-5(eV/oC)(Boltzmann’sConstant)Ea=1.5(eV)(ActivationEnergyforWJGaAsdevices)(激活能)第三十七頁，共42頁。MTTF和結溫第三十八頁，共42頁。JEDEC（標準的制定者）

JEDECistheleadingdeveloperofstandardsforthesolid-stateindustry.

Thepublicationsandstandardsthattheygenerateareacceptedthroughouttheworld.AllJEDECstandardsareavailableonline,atnocharge.TEA(THERMALENGINEERINGASSOCIATES)（測試儀器產商）

Thecompany‘smissionistoprovideacentralsourcefortheproductsandservicesnecessaryforpropersemiconductorthermalmeasurementandmodelingandsolutionstoattendantthermalmanagementproblems.（TEA-ContactInformation）SEMI-THERMSEMI-THERMisthepremierforum(最高論壇)fortheexchangeofinformationbetweentheindustrialandacademiccommunitiesontopicsrelatedtosemiconductorthermalmeasurement,modelingandmanagement.LASERFOCUS