LED热特性检测技术 李老师LED芯片检测技术考试论文.docx

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LED热特性检测技术李老师LED芯片检测技术考试论文

LED热特性检测技术

2014-2015五邑大学李老师的LED芯片检测技术期末考试论文

摘要：

ＬＥＤ结温过高会造成正向压降改变、色温变化、渡长红移、光电转换效率变低等，影响其光度、色度和“电气参数”。

为了设计的ＬＥＤ的光效高，性能稳定，我们必须对ＬＥＤ的热学性能进行检测，从而更好地设计ＬＥＤ的结构，散热器等。

关键词：

LED大功率结温热阻热特性

一、前言

　　固态照明被认为是2l世纪最具发展前景的照明光源之一．由于发光二级管（LED）体积小、寿命长、节能环保、发光效率高、色度纯、可靠性高已广泛进入信号指示、交通及航空工具照明、大屏幕显示等应用领域，并将在室内外日常照明中扮演越来越重要的角色。

近年来，大功率LED发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED。

与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。

例如，Edison公司前几年的20W白光LED，其光通量为700lm，发光效率为35lm/W。

2007年开发的100W白光LED，其光通量为6000lm，发光效率为60lm/W。

又例如，Cree公司新推出的XLampXR～E冷白光LED，其最高亮度挡QS在350mA时光通量可达107～114lm。

这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。

然而，大功率LED工作电流的增加会产生大量的热量，引起LED芯片pn结结温的显著变化，对LED的性能产生重要的影响。

造成正向压降改变、色温变化、渡长红移、光电转换效率变低等，影响其光度、色度和“电气参数”。

为了设计的ＬＥＤ的光效高，性能稳定，我们必须对ＬＥＤ的热学性能进行检测，从而更好地设计ＬＥＤ的结构，散热器等。

LED的热学特性主要包括LED结温、热阻、瞬态变化曲线（加热曲线、冷却曲线）等。

结温是指LED的PN结温度，热阻是指LED散热通道上的温度差与该通道上的耗散功率之比，用于表征LED的散热能力，热阻是决定LED光电特性及寿命的重要参数，热阻过大会直接导致LED结温偏高，加速芯片老化。

研究表明，LED的热阻越低其散热性能越好，相应的LED光效一般也越高，寿命越长。

二、LED结温产生的原因　

结温形成是由于LED空穴、电子运动，一部分能量产生有效的光电效应，发出光子；另一部分是以发热的形式消耗掉了，从而导致PN结区芯片发热。

对于一个封装好的LED发光管来讲，产生结温有两个原因，其一为出光效率低，说明大多数电能转换成热能，产生了结温，其二为LED封装的散热能力。

散热能力是产生结温高低的关键条件，散热能力强，结温下降，反之散热能力差时结温将上升，其结果将会导致出光效率更低，更进一步推动结温的上升。

说明在相同的环境，热阻小（即散热能力强），光通量几乎与正电流成正比例增加。

三、ＬＥＤ热阻模型

LED热阻可表示为

式中：

Rθｊｘ为LED的pn结至参考位置的热阻；Ｔｊ为pｎ结温度；Ｔｘ为参考点温度；Pｊｘ为热耗散功率，其值为总耗散功率（ＶｆｘＩｆ，即LED正向电流与正向电压乘积与光功率Pｌ的差值。

对于不同类型、制作工艺及功率的LED器件，电光转换效率相差较大，因此在计算LED热阻时需考虑光功率的影响。

在功率型LED应用中，典型的封装结构如下图所示。

LED通过高散热性能的界面材料粘结在金属电路板（MCPCB）上，散热器（外部热沉）安装在金属线路板的另外一面上。

图中所示LED的热学模型为pn结一内部热沉一金属线路板一外部热沉。

用热阻模型对功率型LED主要热流路径上的

热传导过程进行描述，如下图所示。

LED器件的总热阻可以表示为pn结至外部环境热路上的热阻之和，

即Ｒｊｘ＝Ｒｊｓ＋Ｒｓｂ＋Ｒｂｘ

式中：

Rｊｘ为pn结到外部环境的热阻；Rｊｓ为pn结到LED内部热沉的热阻；Ｒｓｂ为内部热沉到金属线路板之间的热阻；Rｂｘ为金属线路板到环境的热阻。

四、LED结温对光电性能的影响

　　LED结温在高于正常能承受的温度125℃时。

产生不可恢复的永久性的衰变，通常有三种原因促使高温下LED输出性能的永久性衰减。

其一，由于各外延层之间存在着或多或少的晶格失配，从而在界面上形成大量的诸如位错等结构缺陷。

在较高温度时，这些缺陷会快速增殖、繁衍，直至侵入发光区，形成大量的非辐射复合中心，严重降低器件的注入效率与发光效率；其二，在高温条件下，材料内的微缺陷及来自界面与电极的快速扩散杂质也会引入发光区，形成大量的深能级，同样会加速LED器件性能的衰变；其三，高温时，LED封装环氧胶的变性、发黄，出光效率下降衰减。

通常，LED用的封装环氧胶存在着一个重要特性，即当环氧胶温度超过一个特定温度L=125℃时，封装环氧的特性将从一种钢性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状的物质。

此时材料的膨胀系数急剧增加，形成一个明显的拐点，这个拐点所对应的温变即为环氧树脂的玻璃状转化温度，其值通常为125℃。

当器件在此温度附近或高于此温度变化时，将发生明显的膨胀或收缩，致使芯片电极与引线受到额外的应力而发生过度疲劳乃至脱落损坏，造成LED永久性损坏。

显然工作温度越高，这种过程将越快。

五、LED灯具工作结温检测原理和方法

结温、热阻的大小成为衡量LED热学特性的最重要指标。

因此，快速、准确的测试LED的结温和热阻成为有效热管理的重要前提。

目前LED热学测试的主要方法有红外热成像法、电学参数法、瞬态热测试法、光谱及光功率法、管脚温度法等。

这些方法基于不同的原理测量或推导出LED的结温及热阻。

LED作为一种典型的半导体器件，具有典型的V-I曲线特性，如下图３所示

LED的VF与IF的关系一般按照如公式

（1）所示，利用数学推导并对两边进行运算可以得到公式（5），即温度变化对于VF值变化的关系。

其中q-电子电荷量，IF（0）-起始电流，T-绝对温度，VF-前置电压，K-波尔兹曼常数

推导得到：

其中ｋ即为温度敏感系数（ｍＶ／°Ｃ）。

由下式得到：

式中，VL为低结温TL（如25℃）时LED在测量电流IM（小电流）下的正向电压，VH为高结温TH（如100℃）时LED在测量电流IM下的正向电压。

在温度系数耳的测量过程中，由于测量延迟的存在以及非热切换效应的影响，需以玲却曲线来矫正测量结果，同时选取消除了非热切换效应的数据来拟合冷却曲线。

由于温度系数ｋ还是一个随输入电流密度变化的物理量，如果LED工作电流发生了变化．应重新对温度系数K进行标定。

测试原理图如下：

LED结温测量的时序如图所示：

1）首先对LED正向施加测试电流IM，测量正向结电压VFI；

2）用加热电流IH取代IM加到待测LED两端，加热一定时间（tH）待LED

达到稳定状态，测量所测LED散热通道上的热耗散功率（PH）；

3）再用IM迅速取代IH加到待测LED两端，并测得正向结压降（VFF）；

4）计算LED的结温和热阻：

根据上述原理，结温计算公式为：

＝Ｔｊ０＋ΔＶ／ｋ

热阻计算公式为

式中，ＴＪ０为初始温度，ＴＸ为散热通道上指定点的温度，例如，环境温度或外壳温度。

对于LED，输入的电功率一部分用于LED发光，另一部分产生热量，而热耗散功率PH往往很难从总输入电功率中区分出来，因此为方便和简化测量，QB/T4057-2010提出了“参考热阻”的概念，即使用输入总功率替代式（4）中的热耗散功率。

“参考热阻”由于测量方便，复现性好，得到了越来越多的应用。

六、检测设备概述

热特性检测设备和热光电综合测试系统

　　根据上述所讨论的热特性检测方法，其技术难点在于对测试设备性能要求很高：

电流切换和采样速率必须足够快、电压测量精度要高且LED的外部温度必须能稳定控制。

国际上匈牙利的T3SterLED热阻测试系统和美国的Phase11热阻分析仪能基本满足要求，但这两款仪器的价格昂贵，给工业检测带来经济障碍。

中国远方公司在对相关标准的深入研究基础上，根据LED的特点，开发出满足上述技术要求的检测设备HEO-200热电测试系统，价格较国外设备大幅降低。

　　HEO-200采用MOS（MetalOxideSemiconductor）技术来实现电流的切换，切换时间小于10μs，能有效避免结温冷却带来的试验误差。

在对瞬态数据的采集中，采用循环测试法，通过在极短时间内断开加热电流情况下快速采集数据以得到瞬态变化数据，并配以1MHz/s的采样速度，采集瞬态数据的精度高达1μs，保证了分析结果的准确性。

系统实物如下图所示，包括测试主机、静态空气试验箱以及专业测量分析软件等，在系统工作中，为保证测量结果的准确性，系统采用内置的恒流源给LED提供电压，确保LED发光稳定。

该套系统可以实现结温、热阻（瞬态热阻、稳态热阻）、加热曲线和冷却曲线的准确测量。

　　　　　　　LED热特性检测设备

为实现LED的光色参数随结温变化曲线的测量以及不计发光功率的热阻测量，在上述系统基础上，配置具有同步触发功能的高精度快速光谱仪和积分球来实现光色参数的测量。

由于直接测量存在困难，对LED的热学特性评价具有挑战。

然而这性能的精确检测确是评价当前LED水平的重要依据。

我国已经对这个重要性能的测试做了较为深入的研究，并自主开发了相关测试设备，能够满足目前国内外各项标准的要求，使我国工业界能够进行高精度、低成本的热特性性能检测。

当然，随着ＬＥＤ的不断发展，ＬＥＤ的性能将会进一步提高，ＬＥＤ的各项参数和指标会进一步增加和提高，不过，无论怎样，ＬＥＤ的热性能检测还是必不可少的，而且，它的要求还会越来越高，它的检测设备当然也要求得更精确了。

不过，这不用我们担心，因为科技的进步是同步的，相信将来检测设备肯定会跟得上ＬＥＤ的发展的。

参考文献

LED热学性能测试方法的研究综述　黄元昊，杨连乔，张建华

LED结温、热阻构成及其影响　　　　王桥立，夏志清，文静

LED热特性和寿命的检测技术　　　　　张维，李倩，潘建根

LED灯具的热特性测试　　　　　　　　严华锋

大功率LED的散热设计　　　　　　余姚市华恩光电有限公司