LED热学参数测试研究

LED热学参数测试研究光谱实验室

引言

LED器件的热学性能会直接影响到器件发光效率、强度、光谱特性、可靠性和使用寿命。LED主要以热阻表征其本身的热学特性。热阻是衡量超高亮和功率型LED器件及阵列组件热工控制设计是否合理的最关键的因素。因此对LED器件的热阻进行分析研究，采用标准化的方法进行测量，满足检测中心和企业需要;同时为满足仲裁测试、数据报告等组建公共测试平台,开发商业化的测量设备，这些都是半导体照明工程中的一项关键性工作。

热阻基本概念所谓热阻就是器件对散热所产生的阻力热阻定义为热流通道上的温度差与通道上耗散功率之比LED热学设计的目的在于预言LED芯片的结温，所谓结温是指LED芯片PN结的温度。ThermalResistance稳态热阻&

ThermalImpedance瞬态热阻结－管壳热阻芯片耗散功率热平衡初始管壳温度热平衡最终管壳温度♣

LED结到管壳之间形成的热阻。♣要求一个无穷大热沉和管壳顶面相接触。♣可以用内部嵌有热电偶的大块无氧铜替代。♣记录热沉的温度变化，达到稳态时测试。结－环境热阻分别表示容器内一个限定位置的热平衡初始和最终温度。♣

LED结到周围环境形成的热阻。♣测试时，器件放入

1立方英尺容器。♣仅对自然对流冷却环境估算结温有用。NC-100NaturalConvectionChamber

自然对流(静止空气)热参数测量腔流动空气环境热阻♣固定在标准的热试验板上的芯片/管壳组合在流动空气环境形成的热阻。♣管壳顶上加热沉。♣可应用于测量计算在空气速度已知的强迫对流环境的结温。WT-100

WindTunnel♣测量流动空气(强迫对流)环境芯片/管壳组合(θJMA)和管壳/热沉组合的热阻。♣空气从底部抽进从顶部排出。♣测速仪数字显示0.5m/s—5m/s空气速度。♣试验区截面:20.3x20.3cm2。♣

T型热电偶固定在试验区中心边墙上。LEDPN结内产生的热量从芯片开始沿着下述热学通道传输：PN结(junction)—反射腔(slug)—印刷板(board)—环境(ambient)LED热学模型为芯片和芯片粘结剂到反射腔之间形成的热阻为反射腔，环氧树脂到印刷板间的热阻。为印刷板和接触环境空气的热沉之间组合的热阻LED热学模型总热阻可以表示为从结－环境这一热路（thermalpath）中各个单个热阻之和。结温计算:多元LED热阻多元LED产品的热阻可以采用并联热阻的模型来确定.测半导体器件热阻的主要方法电学参数法红外微象仪法光谱法光热阻扫描法光功率法LED热阻测量的电学参数法在低正向电流时，PN结温升和正向电压增量成线性相关。相关系数K即温度--电压敏感系数,单位:♣开关置1,加电流IM,测得正向电压VFi。♣开关置2,快速加上加热电流IH,测量正向电压VH♣开关置1,快速加电流IM,测量正向电压VFf。♣

ΔVF=│VFi--VFf│

ΔTi=K·ΔVFTJ=TJi+ΔTi

这里TJi是测量开始前LED结温的初始温度。

LED结温测量的电流电压波形选择至关重要。除取典型值0.1,1.0,5.0,10.0mA外，可取伏安特性的击穿点。热阻测试波形tMD:measurementdelaytimetSW:samplewindowtime校准测量数据的冷却曲线被测器件撤除加热电流的瞬间，结温立即下降，但是电压测量和读数需要一定时间,因此所获得的测量数据有误差。通常要作出被测器件的冷却曲线从而对测量数据进行修正。测量校准方法♣先使温度控制环境的初始温度稳定在接近室温的低温

(Tlow)状态，测量正向电压Vlow。♣使温度增加到高温(Thigh),稳定后测量Vhigh的数值。TCS-100TemperatureCalibrationSystemTCS-100TemperatureCalibrationSystem♣TheTCS-100isdesignedtosimplifythegatheringofdataforKFactorcalibrationofdiodes.♣ThesystemcontainsaprecisioncurrentsourceforsupplyingIM,avoltmeterformeasuringVM,andaType-Tthermocouplemeasurementformonitoringtheenvironmenttemperature.♣A36-pinrear-panelmountedconnectorprovidesfullKelvinconnectionforupto16devices.Eachdeviceundertestisselectedbyfront-panelpushbutton.

热阻测量♣按照所施加的耗散功率和选择合适的加热时间，就可以按下述公式计算被测器件的热阻。♣测量LED热阻时，分为稳态热阻和瞬态热阻，稳态热阻确定了整个器件的热性能。测量瞬态热阻时采用加热脉冲宽度大于芯片而小于基板的热时间常数。加热脉冲宽度通常在1－几百ms。由于不同封装LED的热时间常数不同，因此选择合适加热脉冲宽度十分重要。Agilent热测试系统加热曲线热流:结芯片封装底面壳环境

产生的热=散去的热平衡加热曲线:器件在不同环境条件,施加确定的加热功率PH时,热阻和加热时间的关系曲线.加热曲线用途曲线的光滑度显示数据联贯性和可信度。清楚显示热稳态状况,获得最短稳态时间。曲线显示管壳封装的热性能,采用最优化数据PH,tH检验封装工艺。显示不同环境条件的加热曲线有助于估计器件在其它环境下的热性能。组合曲线可用于精确估计在不同环境条件到达热稳定的时间。热沉问题(特性)FlatHeatSink0.09"(2.3mm)ThickLED热学参数应用问题

A.设置结温极限设置合适的结温极限是热学设计的重点。

B.评价环境温度数据使用产品标准或代表性测试数据来确定最差环境温度TA

C.确定允许的耗散功率5xMagnificationofanInfraredImageofabiasedAH101atacasetemperaturenear85°C红外微象仪法光谱法测半导体激光器热特性

在半导体激光器的热特性表征过程中，某一驱动条件下激光器的有源区温度Tc是一关键测量参数。然而，在大多数情况下，Tc并不能直接进行测量。幸运的是其它很多测量参数，如阈值电流、结电压降以及激射波数等均与Tc有内在关系。可以用光谱法测量在不同脉冲驱动条件下激光器的激射波长，并据此得出了该激光器的结温和热阻。测试原理在甚短脉宽脉冲与小占空比脉冲驱动条件下，激光器上承受的平均功率非常小，所以其热效应可以忽略。此时可认为有源区温度Tc与其热沉温度Ts相等，因此此时激光器激射波长与Ts之间的关系可以作为一个标准，用来确定其他脉冲驱动条件下的有源区温度Tc。当驱动脉冲占空比增加时，激光器L承受的平均功率相应增加，有源区温度Tc必然随之增加，因此，此时Tc与Ts将不再相等，根据此时Ts与Tc之间的差值及激光器上承受的平均发热功率就可得到该激光器的热阻参数。热沉的温度由一台热电制冷(加热)温度控制仪进行精确控温；驱动电流固定在55mA。光谱仪的最高分辩率是0.125cm-1占空比1％占空比0.1％从图1中可以看出，激光器的激射模随热沉温度Ts升高而产生线性红移，表明激射波数与有源区温度Tc(此时等于热沉温度Ts)之间存在固定的关系。76305在20℃～30℃的变温范围内，跟踪某一激射模的红移，我们可以得到一个约为-0.377cm-1/k的激射波数红移温度系数。当脉宽增加时，激光器的激射模出现了线性红移。这一红移说明随着平均功率的增加，热效应将导致激光器的有源区出现明显的温升。当脉宽从100ns增加到4μs时，激射模的线性红移量为3.868cm-1，以在100ns脉宽脉冲驱动下所测得的-0.377cm-1/K的波长变化温度系数，可从图3估算出此时有源区的温升约为100C。

图3为热沉温度为10℃时在不同脉宽脉冲驱动下激光器的激射光谱，此时脉冲频率仍为100kHz。从图中激射模的线性红移可以估算出当驱动电流从30mA增加到200mA时，有源区的温升为80C。图5为同一激光器的激射光谱随驱动电流的变化清况。测量中驱动脉冲的脉宽与频率分别为1μs和100kHz，热沉温度固定在100C。

LED寿命:LED(发光)强度(功率)衰退到一半初始(发光)强度(功率)的时间.P=P0exp(-βt)…….(1)β=β0IFexp(-Ea/kTj).(2)Tj=θth

IFVF+Ta..……(3)利用公式(1)可以通过试验得到寿命试验数据,从而得到相同条件的器件的期望寿命.例如,用DC50mA试验得到300小时数据,进而可推算300小时后的期望寿命.由公式(1)(2)(3)可得到相同LED在不同条件的寿命数据.LED结温和寿命MTTF(Mean

TimeBetweenFailure)和结温平均无故障时间:

MTTF=A*e(Ea/kT)A=3.71x10-12(hrs)(Pre-exponentialFactor)k=8.617x10-5(eV/ºC)(Boltzmann’sConstant)Ea=1.5(eV)(ActivationEnergyforWJGaAs

devices)(激活能)MTTF和结温JEDEC（标准的制定者）

JEDECistheleadingdeveloperofstandardsforthesolid-stateindustry.

Thepublicationsandstandardsthattheygenerateareacceptedthroughouttheworld.AllJEDECstandardsareavailableonline,atnocharge.TEA(THERMALENGINEERINGASSOCIATES)（测试仪器产商）

Thecompany‘smissionistoprovideacentralsourcefortheproductsandservicesnecessaryforpropersemiconductorthermalmeasurementandmodelingandsolutionstoattendantthermalmanagementproblems.（TEA-ContactInformation）SEMI-THERMSEMI-THERMisthepremierforum(最高论坛)fortheexchangeofinformationbetweentheindustrialandacademiccommunitiesontopicsrelatedtosemiconductorthermalmeasurement,modelingandmana