电压法LED结温及热阻测试原理

LED应用于照明除了节能外,长寿命也是其十分重要的优势。目前由于LED 热性能原因,LED 及其灯具不能达 到理想的使用寿命;LED 在工作状态时的结温直接关系到其寿命和光效;热阻则直接影响LED 在同等使用条件下 LED 的结温;LED 灯具的导热系统设计是否合理也直接影响灯具 的寿命。因此功率型 LED 及其灯具的热性能测试 ,对于 LED 的生产和应用研发都有十分 直接的意义。以下将简述LED 及其灯具的主要热性能指标,电压温度系数K、结温和热阻的测试原理、测试设备、测试内容和测试方法,以供LED 研发、生产和应用企业参考。

　　一、电压法测量 LED 结温的原理

　　LED 热性能的测试首先要测试 LED 的结温,即工作状态下 LED 的芯片的温度。关于LED 芯片温度的测试,理论上有多种方法,如红外光谱法、波长分析法和电压法等等。目前实际使用的是电压法。1995 年 12 月电子工业联合会/电子工程 设计发展联合会议发布的> 标准对于电压法测量半导体 结温的原理、方法和要求等都作了详细规范。

　　电压法测量LED 结温的主要思想是：特定电流下 LED 的正向压降 Vf 与 LED 芯片的 温度成线性关系,所以只要测试到两个以上温度点的Vf 值,就可以确定该 LED 电压与温 度的关系斜率,即电压温度系数 K 值,单位是 mV/°C 。K 值可由公式K=ㄓVf/ㄓTj 求得。K 值有了,就可以通过测量实时的 Vf 值,计算出芯片的温度(结温)Tj 。 为了减小电压测量带来的误差,> 标准规定测量系数 K 时,两个温度 点温差应该大于等于50 度。对于用电压法测量结温的仪器有几个基本的要求：A、电压法测量结温的基础是特定的测试电流下的 Vf 测量,而 LED 芯片由于温度变 化带来的电压变化是毫伏级的,所以要求测试仪器对电压测量的稳定度必须足够高,连续测量的波动幅度应小于 1mV 。

　　B、这个测试电流必须足够小,以免在测试过程中引起芯片温度变化;但是太小时会引起电压测量不稳定,有些 LED 存在匝流体效应会影响 Vf 测试的稳定性,所以要求测试 电流不小于 IV 曲线的拐点位置的电流值。

　　C、由于测试LED 结温是在工作条件下进行的,从工作电流(或加热电流)降到测 试电流的过程必须足够快和稳定,Vf 测试的时间也必须足够短,才能保证测试过程不会引 起结温下降。

　　在测量瞬态和稳态条件的结温的基础上, 可以根据下面公式算出LED 相应的热阻值：

　　Rja=ㄓT/P= 【Ta Tj 】/P

　　其中 Ta 是系统内参考点的温度(如基板温度),Tj 是结温,P 是使芯片发热的功率对于 LED 可以认为就是 LED 电功率减去发光功率 。 由于 LED 的封装方式不同,安装使用情况不同,对热阻的定义有差别,测试时需要相应的支架和夹具配套。SEMI 的标准中定义了两种热阻值,Rja 和 Rjb ,其中：Rja 是测量在自然对流或强制对流条件下从芯片接面到大气中的热传导, 情形如图一(a)所示。

　　图一

　　Rja 在标准规范的条件下测量,可用于比较不同封装散热的情况。

　　Rjb 是指在自然对流以及风洞环境下由芯片接面传到下方测试板部分热传时所产生 的热阻,可用于由板温去预测结温。见图二

　　图二

　　大功率 LED 封装都带基板,绝大部分热从基板通过散热板散发,测量 LED 热阻主要是指 LED 芯片到基板的热阻。与 Rjc 的情况更加接近。见图三

　　图三

　　二、几款测试仪器性能介绍

　　目前用于 LED 热性能测试的设备是参照EIA/JESD 51标准的要求进行设计的。典型的设备有：Mic ReD 公司的T3Ster®;AnaTech 公司的Phase10 Thermal Analyzer; TEA 公司的different TTS systems 等。由于 LED 热性测试的进口设备价格昂贵,使用 复杂,目前国内只有很少的单位配备了进口设备。目前国产设备和进口设备相比,综合技术指标方面有一定差距,尤其是分析软件方面差距较大。但是由于 LED 芯片体积较大, 测试要求和集成电路 的测试要求有很大不同,大部指标已经可以完全满足测试要求。在价格方面国产设备有很大竞争优势,设计要求也以 LED 测试为主,使用方便,有利 LED 热 性能测试的广泛使用。下表是三家典型的进口设备和国产设备(杭州伏达光电 技术有限公司的 JDS200型 LED 光色电热综合测试系统);以及台湾半导体光电产业协会关于 《LED 热阻量测标准草案》要求的几项主要技术参数的对比(数据是由公开现有资源收集来的,大部分来自网站的现有资料)：