LED應用于照明除了節(jié)能外,長壽命也是其十分重要的優(yōu)勢。目前由于LED 熱性能原因,LED 及其燈具不能達 到理想的使用壽命;LED 在工作狀態(tài)時的結(jié)溫直接關系到其壽命和光效;熱阻則直接影響LED 在同等使用條件下 LED 的結(jié)溫;LED 燈具的導熱系統(tǒng)設計是否合理也直接影響燈具 的壽命。因此功率型 LED 及其燈具的熱性能測試 ,對于 LED 的生產(chǎn)和應用研發(fā)都有十分 直接的意義。以下將簡述LED 及其燈具的主要熱性能指標,電壓溫度系數(shù)K、結(jié)溫和熱阻的測試原理、測試設備、測試內(nèi)容和測試方法,以供LED 研發(fā)、生產(chǎn)和應用企業(yè)參考。
一、電壓法測量 LED 結(jié)溫的原理
LED 熱性能的測試首先要測試 LED 的結(jié)溫,即工作狀態(tài)下 LED 的芯片的溫度。關于LED 芯片溫度的測試,理論上有多種方法,如紅外光譜法、波長分析法和電壓法等等。目前實際使用的是電壓法。1995 年 12 月電子工業(yè)聯(lián)合會/電子工程 設計發(fā)展聯(lián)合會議發(fā)布的> 標準對于電壓法測量半導體 結(jié)溫的原理、方法和要求等都作了詳細規(guī)范。
電壓法測量LED 結(jié)溫的主要思想是：特定電流下 LED 的正向壓降 Vf 與 LED 芯片的 溫度成線性關系,所以只要測試到兩個以上溫度點的Vf 值,就可以確定該 LED 電壓與溫 度的關系斜率,即電壓溫度系數(shù) K 值,單位是 mV/°C 。K 值可由公式K=ㄓVf/ㄓTj 求得。K 值有了,就可以通過測量實時的 Vf 值,計算出芯片的溫度(結(jié)溫)Tj 。 為了減小電壓測量帶來的誤差,> 標準規(guī)定測量系數(shù) K 時,兩個溫度 點溫差應該大于等于50 度。對于用電壓法測量結(jié)溫的儀器有幾個基本的要求：A、電壓法測量結(jié)溫的基礎是特定的測試電流下的 Vf 測量,而 LED 芯片由于溫度變 化帶來的電壓變化是毫伏級的,所以要求測試儀器對電壓測量的穩(wěn)定度必須足夠高,連續(xù)測量的波動幅度應小于 1mV 。
B、這個測試電流必須足夠小,以免在測試過程中引起芯片溫度變化;但是太小時會引起電壓測量不穩(wěn)定,有些 LED 存在匝流體效應會影響 Vf 測試的穩(wěn)定性,所以要求測試 電流不小于 IV 曲線的拐點位置的電流值。
C、由于測試LED 結(jié)溫是在工作條件下進行的,從工作電流(或加熱電流)降到測 試電流的過程必須足夠快和穩(wěn)定,Vf 測試的時間也必須足夠短,才能保證測試過程不會引 起結(jié)溫下降。
在測量瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)條件的結(jié)溫的基礎上, 可以根據(jù)下面公式算出LED 相應的熱阻值：
Rja=ㄓT/P= 【Ta Tj 】/P
其中 Ta 是系統(tǒng)內(nèi)參考點的溫度(如基板溫度),Tj 是結(jié)溫,P 是使芯片發(fā)熱的功率對于 LED 可以認為就是 LED 電功率減去發(fā)光功率 。 由于 LED 的封裝方式不同,安裝使用情況不同,對熱阻的定義有差別,測試時需要相應的支架和夾具配套。SEMI 的標準中定義了兩種熱阻值,Rja 和 Rjb ,其中：Rja 是測量在自然對流或強制對流條件下從芯片接面到大氣中的熱傳導, 情形如圖一(a)所示。
圖一
Rja 在標準規(guī)范的條件下測量,可用于比較不同封裝散熱的情況。
Rjb 是指在自然對流以及風洞環(huán)境下由芯片接面?zhèn)鞯较路綔y試板部分熱傳時所產(chǎn)生 的熱阻,可用于由板溫去預測結(jié)溫。見圖二
圖二
大功率 LED 封裝都帶基板,絕大部分熱從基板通過散熱板散發(fā),測量 LED 熱阻主要是指 LED 芯片到基板的熱阻。與 Rjc 的情況更加接近。見圖三
圖三
二、幾款測試儀器性能介紹
目前用于 LED 熱性能測試的設備是參照EIA/JESD 51標準的要求進行設計的。典型的設備有：Mic ReD 公司的T3Ster®;AnaTech 公司的Phase10 Thermal Analyzer; TEA 公司的different TTS systems 等。由于 LED 熱性測試的進口設備價格昂貴,使用 復雜,目前國內(nèi)只有很少的單位配備了進口設備。目前國產(chǎn)設備和進口設備相比,綜合技術指標方面有一定差距,尤其是分析軟件方面差距較大。但是由于 LED 芯片體積較大, 測試要求和集成電路 的測試要求有很大不同,大部指標已經(jīng)可以完全滿足測試要求。在價格方面國產(chǎn)設備有很大競爭優(yōu)勢,設計要求也以 LED 測試為主,使用方便,有利 LED 熱 性能測試的廣泛使用。
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