LED热学参数测试研究

1、LED热学设计的目的在于预言热学设计的目的在于预言LED芯片的芯片的结温，所谓结温是指结温，所谓结温是指LED芯片芯片PN结的温度。结的温度。HPinitialPfinalHJJCPTTPTHPinitialPfinalHJJCPTTPTHPPinitialT芯片耗散功率芯片耗散功率热平衡初始管壳温度热平衡初始管壳温度热平衡最终管壳温度热平衡最终管壳温度PfinalTHPinitialPfinalHJJCPTTPT LED结到管壳之间形结到管壳之间形成的热阻。成的热阻。 要求一个无穷大热沉要求一个无穷大热沉和管壳顶面相接触。和管壳顶面相接触。 可以用内部嵌有热电可以用内部嵌有热电偶的大块无氧铜

2、替代。偶的大块无氧铜替代。 记录热沉的温度变化，记录热沉的温度变化，达到稳态时测试达到稳态时测试。结环境热阻结环境热阻JAJAHAinitialAfinalHJJAPTTPTAinitialTHAinitialAfinalHJJAPTTPTAinitialTAfinalT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结到周围结到周围环环 境形成的热阻。境形成的热阻。 测试时，器件放测试时，器件放入入 1立方英尺容器。立方英尺容器。 仅对自然对流冷仅对自然对流冷却环境估算结温有却环境估算结温有用。用。自然对流自然对流(静止空气静止空气)热参数测量腔热参数测量腔JMALED PN结内产

3、生的热量从芯片开始沿着下述热学通道传输：结内产生的热量从芯片开始沿着下述热学通道传输：PN结结(junction)反射腔反射腔(slug)印刷板印刷板(board)环境环境(ambient) JS为芯片和芯片粘结剂到反射腔之间形成的热阻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为印刷板和接触环境空气的热沉之间组合的热阻的热阻JSSBBABASBJSJA结温计算结温计算:JAdAJPTTBJBJBJRNLEDRLEDRArrayTotal _)(1_) 1 (1_1多元多元LED产品的热阻可

4、产品的热阻可以采用并联热阻的模型以采用并联热阻的模型来确定来确定.NREmitterLEDRArrayTotalBJBJ_NREmitterLEDRArrayTotalBJBJ_BJBJBJRNLEDRLEDRArrayTotal _)(1_) 1 (1_1BSSJBJRRR 在低正向电流时，在低正向电流时，PN结温升结温升和正向电压增量成线性相关。和正向电压增量成线性相关。相关系数相关系数K即温度即温度-电压敏感电压敏感系数系数,单位单位: 开关置开关置1,加电流加电流IM,测得正向电压测得正向电压VFi。 开关置开关置2,快速加上加热电流快速加上加热电流IH,测量测量 正向电压正向电压VH

5、 开关置开关置1,快速加电流快速加电流IM,测量正向测量正向 电压电压VFf。 VF= VFi- VFf Ti =K VF TJ=TJi+ Ti 这里这里TJi是测量开始前是测量开始前LED结温结温 的初始温度。的初始温度。 mvC/ 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。MItMD:measurement delay timetSW:sample window timeHHFJXVIVKKbaK被测器件撤除加热电流的被测器件撤除加热电流的瞬间，结温立即下降，但瞬间，结温立即下降，但是电压测量和读数需要一是电压测量和读数需要一定时间定时间,因此所

6、获得的测因此所获得的测量数据有误差。通常要作量数据有误差。通常要作出被测器件的冷却曲线从出被测器件的冷却曲线从而对测量数据进行修正。而对测量数据进行修正。 先使温度控制环境的初始温度稳定在接近室温的低温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，测量正向电压状态，测量正向电压Vlow。 使温度增加到高温使温度增加到高温(Thigh),稳定后测量稳定后测量Vhigh的数值。的数值。highlowlowhighVVTTK 按照所施加的耗散功率和选择合适的加热时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间，就可以按下述公式计算被测器件的热阻。

7、HHFHJVIVKPTJX 测量测量LED热阻时，分为稳态热阻和瞬态热阻，稳态热热阻时，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 脉冲宽度通常在脉冲宽度通常在1几百几百ms。由于不同封装。由于不同封装LED的热的热 时间常数不同，因此选择合适加热脉冲宽度十分重要。时间常数不同，因此选择合适加热脉冲宽度十分重要。JCJCJMA热流热流:结结 芯片芯片 封装底面封装底面 壳壳 环境环境 产生的热产生的热=散去的热散去的热

8、平衡平衡加热曲线加热曲线:器件在不同环境器件在不同环境条件条件,施加确定施加确定的加热功率的加热功率PH时时,热阻和加热时间热阻和加热时间的关系曲线的关系曲线.JCJMAJAFlat Heat Sink 0.09 (2.3 mm) Thick5x Magnification of an Infrared Image of a biased AH101 at a case temperature near 85 C测试原理热沉的温度由一台热电制冷热沉的温度由一台热电制冷(加热加热)温度控制仪进行精确控温；温度控制仪进行精确控温；驱动电流固定在驱动电流固定在55mA。光谱仪的最高分辩率是。光谱仪的

9、最高分辩率是0.125cm-1占空比占空比1占空比占空比0.1从图从图1 中可以看出，激光器的激射模随热沉温度中可以看出，激光器的激射模随热沉温度Ts升高而产生升高而产生线性红移，表明激射波数与有源区温度线性红移，表明激射波数与有源区温度Tc(此时等于热沉温度此时等于热沉温度Ts)之间存在固定的关系。之间存在固定的关系。76305在在20 30的变温范围内，跟踪某一激射模的红移，我们可的变温范围内，跟踪某一激射模的红移，我们可以得到一个约为以得到一个约为-0.377cm-1/k的激射波数红移温度系数。的激射波数红移温度系数。 从图中激射模的线性红从图中激射模的线性红移可以估算出当驱动电移可以估

10、算出当驱动电流从流从30mA增加到增加到200mA时，有源区的时，有源区的温升为温升为8 0C。图图5为同一激光器的激射光谱随驱动电流的变化清况。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测量中驱动脉冲的脉宽与频率分别为1 s和和100kHz，热沉温度固定在热沉温度固定在100C。 LED寿命寿命: LED (发光发光)强度强度(功率功率)衰退到一半初始衰退到一半初始(发发 光光)强度强度(功率功率)的时间的时间.oP=P0 exp(-t) . (1)o=0IFexp (-Ea/kTj). (2)oTj=th IFVF+Ta . (3)o利用公式利用公式(1)可以通过试验得到可以通过试验得到寿命试验数据寿命试验数据,从而得到从而得到相同条件的器件的期望寿命