准确测量大功率LED热阻的新方法

1、5半导体光电62009年2月第30卷第1期周长波等: 准确测量大功率LED热阻的新方法光电器件准确测量大功率LED热阻的新方法周长波1,钱可元1,罗 毅1,2(清华大学1.深圳研究生院半导体照明实验室,广东深圳518055;2.电子工程系集成光电子学国家重点实验室,北京100084)摘 要: 准确测量大功率LED的热阻,关键是准确地确定LED的结温增量。首先利用正向电压法获得LED的结温;通过测量LED的降温曲线,计算获得LED稳定工作时底座的温度,从而得到LED的结温相对底座温度的增量。然后,再与注入电功率相除,即可得到准确的热阻。与常规方法相比,避免了直接测量LED底座温度中界面热阻的影响

2、,使得测量LED的热阻更加准确、方便。该方法还可以用于测量贴片封装LED等常规方法难以测量的LED以及用于分析大功率LED二次封装时引入的热阻,为评价大功率LED的封装质量提供了一种有效的评测手段。关键词: 热阻;结温;大功率LED;发光二极管中图分类号:TN312.8 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)01-0043-04ThermalResistanceEvaluationofHighPowerLEDZHOUChang-bo1,QIANKe-yuan1,LUOYi1,2(1.SemiconductorLightingLab.,GraduateSchoolatShenz

3、hen,Shenzhen518055,CHN;2.StateKeyLab.onIntegratedOptoelectronics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,CHN)Abstract: AnovelmethodforthermalresistanceevaluationofhighpowerLEDisproposed.ThejunctiontemperatureofLEDchipisobtainedbyforwardvoltagemethod.ThetemperatureofsolderpointofLEDlampisobtainedthroughcurv

4、efittingofthedroppingtemperatureaftershutting.ThedifferenceofthetworepresentsthethermalresistanceoftheLED.TheproposedmethodavoidsmeasuringthetemperatureofthesolderpointoftheLEDlamp,whichisinevitableincommonways.Theerrorintroducedbycontactthermalresistanceiseliminated.Theproposedmethodismoreconvenien

5、t,accurateandconsistent.TheproposedmethodiscapabletoevaluatethethermalresistanceofsurfacemountLEDs(SMT-LEDs)whicharedifficulttotestforcommonmethods.Moreover,themethodiscapabletotestthethermalresistanceintroducedbysecondtimepackaging.Keywords: thermalresistance;junctiontemperature;high-powerLED;light

6、emittingdiode0 引言目前,大功率白光LED发光效率已经超过100lm/W,大大领先于传统照明光源。要充分发挥LED的优势,还必须解决一系列关键技术问题,特收稿日期:2008-05-15.基金项目:北京市科委重大项目;国家/8630计划项目.别是散热问题。若散热不良,将引起LED工作温度升高,会引起出光效率下降,使用寿命缩短等问题1-2。大功率LED的热阻定义为芯片pn结的温度与底座温度之差和输入功率的比值,是衡量大功率LED散热状况的主要参数,也是评价商业化大功率LED器件最重要的性能参数之一。如何准确测量#SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol.30N

7、o.1Feb.2009大功率LED的热阻是大功率LED研究的焦点问题之一。LED结温的测量,目前普遍采用的是正向电压法3。在输入电流恒定的情况下,LED的正向电压与其结温之间具有线性关系。利用这个关系,可以根据LED的正向电压的变化得出结温。得到结温后,减去LED底座的温度,即可得到LED的热阻。这一方法的难点在于测量LED底座的温度。目前普遍采用的方法是,将LED固定在金属板上,在金属板上打孔,插入热偶测量金属板上对应位置的温度以代表底座温度。这种方法有两个问题:第一,测量结果中包括了LED与金属板之间的接触热阻。对于带有大面积基板的LED,LED与金属板之间接触热阻比较小,这种方法是可行的

8、,但是对于贴装形式的LED,这种方法就不适用了。因为贴装形式的LED与金属板接触的面积很小,而且不能采用上部加压的方法使其与金属板紧密接触,所以界面热阻会比较大。第二,金属板自身温度并不均匀,热偶测得的温度并不能准确代表金属板表面LED位置处的温度。本文提出通过测量LED的降温曲线,根据计算获得LED稳定工作时的结温和底座的温度,从而得到LED结温相对底座温度的增加值,并由此计算得到热阻值,避免了对LED底座温度的直接测量,使得测量LED的热阻更加准确、方便。同时,这种方法可以用于分析大功率LED进行二次封装时引入的热阻,为大功率LED的封装提供了一种有效评测手段。且一般为铜制,其内部温度差异

9、相比热阻R-js等小得多。假设LED底座与环境之间的热阻为Rs-a(包括LED底座与金属板、金属板与环境之间的热阻)。图1 LED热阻测量装置示意图将LED点亮一段时间,关断电流后,其结温会满足如下方程:Cj$TjTj-Ts=-R-js(1)LED芯片的热容Cj非常小,所以可以认为关断电流后LED向底座的散热不会引起底座温度Ts的变化,则Ts可以满足以下方程:ssaCs=(2)-aRs底座初始温度为Ts0,即:Ts=Ts0,t=0。底座将降温到环境温度,即:Ts=Ta,t=。解方程(2),可得底座的温度为Ts=(Ts0-Ta)es-as+Ta(3)将上式代入式(1),得到LED结温的表达式为T

10、j=Ae-R-jsCj-+s-as-(Ts0-Ta)eRs-aCs+TaRs-aCs-R-jsCj(4)1 测量原理1.1 物理模型LED热阻测量装置如图1。待测参数为LED芯片pn结到LED底座的热阻R-js。但是LED底座的温度Ts难以通过直接测量得到。通常的做法是将LED紧贴在一块金属板上,测量金属板此处的温度Tm,近似视为LED底座的温度(TmUTs)。此方法中将LED与金属板之间的接触热阻Rc计入了LED的热阻。为克服这个问题,本文提出了通过测量LED的降温曲线来获得LED的结温和底座温度的方法。假设芯片的热容为Cj,温度为Tj,与底座之间的热阻为R-js;底座的热容为Cs,温度为T

11、s。这里假定底座的温度基本均匀。因为底座体积很小,而#4其中,A是待定参数,可以由t=0时刻的结温确定。由于LED芯片的热容Cj非常小,因此R-jsCj应该非常小。图2是实验测得的窄脉冲激励LED前后LED的正向电压。脉冲约15Ls,200mA。可见LED结温在脉冲通过后升高到约55e,并在10Ls以内降到环境温度。通过后面的实验可以看出,LED底座的散热需要若干秒的时间,所以有Rs-aCsmR-jsCj。因此式(4)可以简化为Tj=(Tj0-Ts0)e-jsj+(Ts0-Ta)e-s-as+Ta(5)由前面的分析可以得出,上式中的第一项在关断LED的工作电流后10Ls内衰减为0,即LED结温

12、降低到底座温度。此时测量Tj的衰减曲线,即为tt5半导体光电62009年2月第30卷第1期周长波等: 准确测量大功率LED热阻的新方法上式中第二项的衰减曲线。通过此曲线可以推算出Ts0,即LED关断工作电流的瞬间底座的温度。这样就实现了不通过热偶测量而获得LED工作时底座的温度。结合LED工作时的结温、功率,即可得到LED的热阻,如图3。(4)取LED点亮时的结温平均值作为LED工作时的结温Tj0,对应的功率平均值为输入功率P;(5)对关断工作电流后的10s内的结温进行指数曲线拟合,从而得到关断瞬间LED底座的温度Ts0;(6)用如下公式计算LED的热阻:R-js=(Tj0-Ts0)/P。2

13、结果与讨论应用上述方法,本论文对两种大功率LED的热阻进行了测试,并对结果进行了讨论。2.1 国产铝基板封装大功率LED对一个国产的铝基板封装的大功率白光LED进行了热阻测试。首先进行定标:LED正向电压与结温关系定标结果如图4。图4 LED正向电压-温度系数定标结果1.2 测量过程测量装置如图1所示,测量步骤如下:(1)分别在30e,40e,50e,60e温度下以1mA驱动LED,测量其正向电压,从而得到LED的正向电压-温度系数;(2)点亮LED,并且每隔0.2s测量一次LED的工作电流、电压以及芯片结温。测量结温采用的方法是:在50Ls内将LED的工作电流切换到1mA,测量LED的正向电

14、压以获得LED结温,再将工作电流切换至大电流。由图2可知,LED切换到小电流后结温下降很快,所以在切换电流时以2MHz的速率采集LED的正向电压,并对采集结果进行曲线拟合,以得到电流切换的瞬间LED的正向电压,利用此电压计算LED的结温;(3)待LED结温稳定后关断LED的工作电流,继续每隔0.2s测量一次LED的结温,直至LED结温降至室温;使用常规方法对此LED进行了热阻测试,结果如图5。图中曲线为正向电压法所测得LED的结温和热偶测得的LED下方金属板温度之差随工作时间的变化。测得LED的平均输入功率为0.704W,所以LED的热阻为:12.1e/0.704W=17.2e/W。使用本文提

15、出的方法进行测量,得LED结温曲线如图6。如图6,对关断工作电流后的结温进行曲线拟合,得到关断瞬间的底座温度应为25.2e。从而求得LED的热阻为15.5e/W。与常规方法的测量结果相比,这个热阻值比较小。观察上图,在关断LED电流之后,6065s的时间段,LED结温持续下降,直至降到与金属板相同的温度。根据前面的分析和实验可知,在关断电流后的10Ls内LED结温即降到底座的温度,所以这几秒钟内下降的结温实际上是铝基板与金属板之间温差。所以本文提出#SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol.30No.1Feb.2009的方法得到的结果更为接近LED真实的热阻。方便,一致

16、性好,而且可以用于贴片封装LED等常规方法难以测量的LED。(2)本文提出的测量大功率LED热阻的方法可以用于分析二次封装的质量。根据前面的分析可以看出,这种方法测到的是LED芯片与LED底座之间的热阻。在大多数情况下,需要将LED连同底座固定到铝基板上,此时用常规方法测量LED与铝基板之间的热阻,再用本文方法测量LED与LED底座之间的热阻,两者之差即为二次封装过程中引入的热阻。根据这个热阻可以判断二次封装的质量和一致性。3 结论本文提出通过测量LED的降温曲线,根据计算获得LED稳定工作时的结温和底座的温度,从而得到LED结温相对底座温度的增加值,并由此计算得到热阻值,避免了对LED底座温

17、度的直接测量,使得测量LED的热阻更加准确、方便。本方法还可以用于测量贴片封装LED等常规方法难以测量的LED。同时,这种方法可以用于分析大功率LED进行二次封装时引入的热阻,为大功率LED的封装提2.2 某国外品牌贴片封装大功率LED对国外某型号的贴装大功率LED进行了热阻测量。在不同的室温下对此LED进行了三次测量,每次测量前调整LED与金属板的接触,测量结果表1。可见,常规的热阻测量方法受LED和金属板之间接触情况的影响非常明显,测量一致性不好,难以得到准确的结温。而采用本文提出的方法测得的热阻值比较准确、稳定。表1某国外贴装大功率LED热阻测试结果0.7237.626.429.715.

18、711.00.7239.526.231.518.711.10.7031.610.9功率/W稳定温度/e金属板温度/e拟合得到底座温度/e常规方法所得热阻/(e/W)本文方法所得热阻/(e/W)供了一种有效评测手段。参考文献:1 GeLcoreJP.Thermalchallengesfacingnewgenerationlightemittingdiodes(LEDs)forlightingapplicationsJ.Proc.ofSPIE,2002,4776:215.2 吴慧颖,钱可元,胡 飞,等.倒装大功率白光LED热场分析与测试J.光电子#激光,2005,16(5):511-514.3 GuYimin,NarendranN.Anon-contactMethodford