LED熱學(xué)參數(shù)測(cè)試研究

LED熱學(xué)參數(shù)測(cè)試研究光譜實(shí)驗(yàn)室

引言

LED器件的熱學(xué)性能會(huì)直接影響到器件發(fā)光效率、強(qiáng)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(xué)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(shè)計(jì)是否合理的最關(guān)鍵的因素。因此對(duì)LED器件的熱阻進(jìn)行分析研究，采用標(biāo)準(zhǔn)化的方法進(jìn)行測(cè)量，滿足檢測(cè)中心和企業(yè)需要;同時(shí)為滿足仲裁測(cè)試、數(shù)據(jù)報(bào)告等組建公共測(cè)試平臺(tái),開發(fā)商業(yè)化的測(cè)量設(shè)備，這些都是半導(dǎo)體照明工程中的一項(xiàng)關(guān)鍵性工作。

熱阻基本概念所謂熱阻就是器件對(duì)散熱所產(chǎn)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(xué)設(shè)計(jì)的目的在于預(yù)言LED芯片的結(jié)溫，所謂結(jié)溫是指LED芯片PN結(jié)的溫度。ThermalResistance穩(wěn)態(tài)熱阻&

ThermalImpedance瞬態(tài)熱阻結(jié)－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(jié)到管殼之間形成的熱阻。?要求一個(gè)無窮大熱沉和管殼頂面相接觸。?可以用內(nèi)部嵌有熱電偶的大塊無氧銅替代。?記錄熱沉的溫度變化，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)測(cè)試。結(jié)－環(huán)境熱阻分別表示容器內(nèi)一個(gè)限定位置的熱平衡初始和最終溫度。?

LED結(jié)到周圍環(huán)境形成的熱阻。?測(cè)試時(shí)，器件放入

1立方英尺容器。?僅對(duì)自然對(duì)流冷卻環(huán)境估算結(jié)溫有用。NC-100NaturalConvectionChamber

自然對(duì)流(靜止空氣)熱參數(shù)測(cè)量腔流動(dòng)空氣環(huán)境熱阻?固定在標(biāo)準(zhǔn)的熱試驗(yàn)板上的芯片/管殼組合在流動(dòng)空氣環(huán)境形成的熱阻。?管殼頂上加熱沉。?可應(yīng)用于測(cè)量計(jì)算在空氣速度已知的強(qiáng)迫對(duì)流環(huán)境的結(jié)溫。WT-100

WindTunnel?測(cè)量流動(dòng)空氣(強(qiáng)迫對(duì)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(jìn)從頂部排出。?測(cè)速儀數(shù)字顯示0.5m/s—5m/s空氣速度。?試驗(yàn)區(qū)截面:20.3x20.3cm2。?

T型熱電偶固定在試驗(yàn)區(qū)中心邊墻上。LEDPN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生的熱量從芯片開始沿著下述熱學(xué)通道傳輸：PN結(jié)(junction)—反射腔(slug)—印刷板(board)—環(huán)境(ambient)LED熱學(xué)模型為芯片和芯片粘結(jié)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LED熱學(xué)模型總熱阻可以表示為從結(jié)－環(huán)境這一熱路（thermalpath）中各個(gè)單個(gè)熱阻之和。結(jié)溫計(jì)算:多元LED熱阻多元LED產(chǎn)品的熱阻可以采用并聯(lián)熱阻的模型來確定.測(cè)半導(dǎo)體器件熱阻的主要方法電學(xué)參數(shù)法紅外微象儀法光譜法光熱阻掃描法光功率法LED熱阻測(cè)量的電學(xué)參數(shù)法在低正向電流時(shí)，PN結(jié)溫升和正向電壓增量成線性相關(guān)。相關(guān)系數(shù)K即溫度--電壓敏感系數(shù),單位:?開關(guān)置1,加電流IM,測(cè)得正向電壓VFi。?開關(guān)置2,快速加上加熱電流IH,測(cè)量正向電壓VH?開關(guān)置1,快速加電流IM,測(cè)量正向電壓VFf。?

ΔVF=│VFi--VFf│

ΔTi=K·ΔVFTJ=TJi+ΔTi

這里TJi是測(cè)量開始前LED結(jié)溫的初始溫度。

LED結(jié)溫測(cè)量的電流電壓波形選擇至關(guān)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(diǎn)。熱阻測(cè)試波形tMD:measurementdelaytimetSW:samplewindowtime校準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)的冷卻曲線被測(cè)器件撤除加熱電流的瞬間，結(jié)溫立即下降，但是電壓測(cè)量和讀數(shù)需要一定時(shí)間,因此所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)有誤差。通常要作出被測(cè)器件的冷卻曲線從而對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。測(cè)量校準(zhǔn)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(cè)量正向電壓Vlow。?使溫度增加到高溫(Thigh),穩(wěn)定后測(cè)量Vhigh的數(shù)值。TCS-100TemperatureCalibrationSystemTCS-100TemperatureCalibrationSystem?TheTCS-100isdesignedtosimplifythegatheringofdataforKFactorcalibrationofdiodes.?ThesystemcontainsaprecisioncurrentsourceforsupplyingIM,avoltmeterformeasuringVM,andaType-Tthermocouplemeasurementformonitoringtheenvironmenttemperature.?A36-pinrear-panelmountedconnectorprovidesfullKelvinconnectionforupto16devices.Eachdeviceundertestisselectedbyfront-panelpushbutton.

熱阻測(cè)量?按照所施加的耗散功率和選擇合適的加熱時(shí)間，就可以按下述公式計(jì)算被測(cè)器件的熱阻。?測(cè)量LED熱阻時(shí)，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(gè)器件的熱性能。測(cè)量瞬態(tài)熱阻時(shí)采用加熱脈沖寬度大于芯片而小于基板的熱時(shí)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(shí)間常數(shù)不同，因此選擇合適加熱脈沖寬度十分重要。Agilent熱測(cè)試系統(tǒng)加熱曲線熱流:結(jié)芯片封裝底面殼環(huán)境

產(chǎn)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(shí),熱阻和加熱時(shí)間的關(guān)系曲線.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(shí)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(yàn)封裝工藝。顯示不同環(huán)境條件的加熱曲線有助于估計(jì)器件在其它環(huán)境下的熱性能。組合曲線可用于精確估計(jì)在不同環(huán)境條件到達(dá)熱穩(wěn)定的時(shí)間。熱沉問題(特性)FlatHeatSink0.09"(2.3mm)ThickLED熱學(xué)參數(shù)應(yīng)用問題

A.設(shè)置結(jié)溫極限設(shè)置合適的結(jié)溫極限是熱學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

B.評(píng)價(jià)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)使用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或代表性測(cè)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5xMagnificationofanInfraredImageofabiasedAH101atacasetemperaturenear85°C紅外微象儀法光譜法測(cè)半導(dǎo)體激光器熱特性

在半導(dǎo)體激光器的熱特性表征過程中，某一驅(qū)動(dòng)條件下激光器的有源區(qū)溫度Tc是一關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)。然而，在大多數(shù)情況下，Tc并不能直接進(jìn)行測(cè)量。幸運(yùn)的是其它很多測(cè)量參數(shù)，如閾值電流、結(jié)電壓降以及激射波數(shù)等均與Tc有內(nèi)在關(guān)系?？梢杂霉庾V法測(cè)量在不同脈沖驅(qū)動(dòng)條件下激光器的激射波長(zhǎng)，并據(jù)此得出了該激光器的結(jié)溫和熱阻。測(cè)試原理在甚短脈寬脈沖與小占空比脈沖驅(qū)動(dòng)條件下，激光器上承受的平均功率非常小，所以其熱效應(yīng)可以忽略。此時(shí)可認(rèn)為有源區(qū)溫度Tc與其熱沉溫度Ts相等，因此此時(shí)激光器激射波長(zhǎng)與Ts之間的關(guān)系可以作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，用來確定其他脈沖驅(qū)動(dòng)條件下的有源區(qū)溫度Tc。當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖占空比增加時(shí)，激光器L承受的平均功率相應(yīng)增加，有源區(qū)溫度Tc必然隨之增加，因此，此時(shí)Tc與Ts將不再相等，根據(jù)此時(shí)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)。熱沉的溫度由一臺(tái)熱電制冷(加熱)溫度控制儀進(jìn)行精確控溫；驅(qū)動(dòng)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(chǎn)生線性紅移，表明激射波數(shù)與有源區(qū)溫度Tc(此時(shí)等于熱沉溫度Ts)之間存在固定的關(guān)系。76305在20℃～30℃的變溫范圍內(nèi)，跟蹤某一激射模的紅移，我們可以得到一個(gè)約為-0.377cm-1/k的激射波數(shù)紅移溫度系數(shù)。當(dāng)脈寬增加時(shí)，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(yīng)將導(dǎo)致激光器的有源區(qū)出現(xiàn)明顯的溫升。當(dāng)脈寬從100ns增加到4μs時(shí)，激射模的線性紅移量為3.868cm-1，以在100ns脈寬脈沖驅(qū)動(dòng)下所測(cè)得的-0.377cm-1/K的波長(zhǎng)變化溫度系數(shù)，可從圖3估算出此時(shí)有源區(qū)的溫升約為100C。

圖3為熱沉溫度為10℃時(shí)在不同脈寬脈沖驅(qū)動(dòng)下激光器的激射光譜，此時(shí)脈沖頻率仍為100kHz。從圖中激射模的線性紅移可以估算出當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流從30mA增加到200mA時(shí)，有源區(qū)的溫升為80C。圖5為同一激光器的激射光譜隨驅(qū)動(dòng)電流的變化清況。測(cè)量中驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬與頻率分別為1μs和100kHz，熱沉溫度固定在100C。

LED壽命:LED(發(fā)光)強(qiáng)度(功率)衰退到一半初始(發(fā)光)強(qiáng)度(功率)的時(shí)間.P=P0exp(-βt)…….(1)β=β0IFexp(-Ea/kTj).(2)Tj=θth

IFVF+Ta..……(3)利用公式(1)可以通過試驗(yàn)得到壽命試驗(yàn)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(yàn)得到300小時(shí)數(shù)據(jù),進(jìn)而可推算300小時(shí)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(jié)溫和壽命MTTF(Mean

TimeBetweenFailure)和結(jié)溫平均無故障時(shí)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)(ActivationEnergyforWJGaAs

devices)(激活能)MTTF和結(jié)溫JEDEC（標(biāo)準(zhǔn)的制定者）

JEDECistheleadingdeveloperofstandardsforthesolid-stateindustry.

Thepublicationsandstandardsthattheygenerateareacceptedthroughouttheworld.AllJEDECstandardsareavailableonline,atnocharge.TEA(THERMALENGINEERINGASSOCIATES)（測(cè)試儀器產(chǎn)商）

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