LED的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性研究

1. 簡介

　　眾所周知，LED的有效光輻射（發(fā)光度和/或輻射通量）嚴(yán)重受其結(jié)溫影響（如圖一所示，數(shù)據(jù)來源于Lumileds Luxeon DS25 的性能數(shù)據(jù)表）。

圖1：一組從綠光到藍(lán)光以及白光的LED 有效光輻射隨結(jié)溫的變化關(guān)系

　　單顆LED 封裝通常被稱為一級LED，而多顆LED 芯片裝配在同一個(gè)金屬基板上的LED 組件通常被稱為二級LED。當(dāng)二級LED 對光的均勻性要求很高時(shí)，結(jié)溫對LED 發(fā)光效率的影響這個(gè)問題將十分突出[1]。

　　文獻(xiàn)[2]中提到，可以利用一級LED 的電、熱、光協(xié)同模型來預(yù)測二級LED 的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性。前提是需要對LED 的散熱環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確建模。

　　本文第2 節(jié)中我將討論怎樣通過實(shí)測利用結(jié)構(gòu)函數(shù)來獲取LED 封裝的熱模型，并將簡單描述一下我們用來進(jìn)行測試的一種新型測試系統(tǒng)。第3 節(jié)中，首先我們回顧了電-熱仿真工具的原理，然后將此原理擴(kuò)展應(yīng)用到板級的熱仿真以幫助優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)的簡化熱模型。在文章的最后我們將介紹一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

　　2. 建立LED 封裝的簡化熱模型

　　關(guān)于半導(dǎo)體封裝元器件的簡化熱模型（CTMs）的建立，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了超過10 年的討論?，F(xiàn)在，對于建立封裝元器件特別是IC 封裝的獨(dú)立于邊界條件的穩(wěn)態(tài)簡化熱模型（CTMs），大家普遍認(rèn)同DELPHI 近似處理方法[3][4][5]。為了研究元器件的瞬態(tài)散熱性能，我們需要對CTM 進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展后的模型稱之為瞬態(tài)簡化熱模型（DCTMs）。歐盟通過PROFIT 項(xiàng)目[7]制定了建立元器件DCTM 的方法，并且同時(shí)擴(kuò)展了熱仿真工具[6]的功能以便能夠?qū)CTM 模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

　　當(dāng)CTM 應(yīng)用在特定的邊界條件下或者封裝元器件自身僅有一條結(jié)-環(huán)境的熱流路徑，則可以用NID（熱阻網(wǎng)絡(luò)自定義）方法[8]來對元件進(jìn)行建模。

　　2.1 直接利用測試結(jié)果建立LED 封裝的模型

　　仔細(xì)研究一個(gè)典型的LED 封裝及其典型的應(yīng)用環(huán)境（圖2），我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，LED 芯片產(chǎn)生的熱量基本上是通過一條單一的熱流路徑：芯片-散熱塊-MCPCB 基板，流出LED 封裝的。

圖2：二級LED 中的結(jié)-環(huán)境熱流路徑：LED 封裝用膠固定于MCPCB 上

　　對于穩(wěn)態(tài)建模來說，封裝的散熱特性可以通過thJC R ，即結(jié)-殼熱阻來準(zhǔn)確描述，結(jié)-殼熱阻指的是從LED 芯片到其自身封裝散熱塊表面之間的熱阻。對于一級LED 來說，此熱阻值可用熱瞬態(tài)測試儀器按照雙接觸面法[9]進(jìn)行測試來得到。

　　圖3 和圖4 所示的是thJC R 的另外一種測試方法。這種方法用兩步測試完成了對一個(gè)二級LED 組件的測試工作，這兩步的測試條件分別為：

　　第一種條件——直接把MCPCB 安裝到冷板上

　　第二種條件——在MCPCB 與冷板之間添加一層很薄的塑料薄層

圖3：積分結(jié)構(gòu)函數(shù)：安裝于MCPCB 的1W 紅光LED 及其封裝的4 階熱模型

圖4：微分結(jié)構(gòu)函數(shù)：安裝于MCPCB 的1W 紅光LED（點(diǎn)擊圖片查看原圖）

　　由于銅和膠的導(dǎo)熱系數(shù)不一樣，從結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線上即可方便的讀出thJC R 的值。同時(shí)，由于在第二種條件下加入的薄層材料會(huì)讓測試曲線發(fā)生分離，通過分離點(diǎn)即可很方便的分辨出結(jié)-板之間的熱阻值。如果需要建立LED 封裝的瞬態(tài)熱模型，則需要用一條合適的熱阻特性曲線來代替固定的thJC R 熱阻值來描述結(jié)-殼熱流路徑的散熱特性。從熱瞬態(tài)測試得出的結(jié)構(gòu)函數(shù)可幫助實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)熱模型的建立。積分形式的結(jié)構(gòu)函數(shù)即是一個(gè)完整的熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)圖，這些熱阻熱容值準(zhǔn)確的描述了結(jié)-環(huán)境熱流路徑的散熱特性。對積分結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行階梯近似即可得到熱流路徑上不同物理結(jié)構(gòu)的折算熱阻和熱容值。（在文獻(xiàn)[8]中提到的基于NID 的模型生成方法，是在時(shí)間常數(shù)上進(jìn)行的離散化。）

　　這種方法已經(jīng)被成功用于生成堆疊芯片的模型生成[10]。這種封裝中通常會(huì)有多條熱流路徑，當(dāng)附加在封裝表面的邊界條件不同時(shí)，則不能把生成的階梯型RC 模型認(rèn)為是獨(dú)立于邊界條件的模型。

　　對于LED 來說，封裝內(nèi)部僅有一條熱流路徑，則階梯型RC 模型可以作為描述LED 封裝熱性能的一種非常合適的模型。

　　下圖所示為LED 在不同的實(shí)際散熱環(huán)境下測得的結(jié)構(gòu)函數(shù)圖形，從圖中可以看出，LED 的熱模型是獨(dú)立于邊界條件的，改變測試環(huán)境（在我們的例子中：插入了塑料薄層材料）并不會(huì)影響描述封裝內(nèi)部詳細(xì)散熱性能的那部分結(jié)構(gòu)函數(shù)。文獻(xiàn)[11]中同樣提到，改變一級LED 的熱沉的表面接觸特性并不會(huì)對熱流路徑上位于其之前的部分產(chǎn)生影響。因此，圖3 所示的、在熱流進(jìn)入MCPCB 之前的一段熱流路徑的階梯狀模型，是適合于當(dāng)我們做類似于圖2 所示的二級LED 或者類似于圖8 所示的LED 組件的板級熱分析時(shí)，用來模擬單個(gè)LED 封裝的散熱熱性的。文獻(xiàn)[11]中還提到了封裝級LED 的更詳細(xì)的建模方法。

　　2.2 LED 的熱-光協(xié)同測試

　　半導(dǎo)體器件的熱瞬態(tài)測試基于的是電學(xué)的測試方法[12]。常規(guī)元器件的熱阻（或者瞬態(tài)時(shí)的熱阻特性曲線）可以用測得的元器件溫升和輸入的電能來計(jì)算得到。但是對于大功率LED 來說，這個(gè)方法并不適合，這是因?yàn)檩斎肟傠娔艿?0~40%會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У目梢姽廨敵?。也正是因?yàn)檫@樣，我們在利用直接測試的方法去建立LED 封裝的熱模型時(shí)都需要把有效的可見光輸出的能量去掉。為此，我們設(shè)計(jì)了一套如圖5 所示的測試系統(tǒng)，用它可以實(shí)現(xiàn)LED 封裝的熱-光協(xié)同測試。

圖5：連接到T3Ster 熱瞬態(tài)測試儀的一套光測量系統(tǒng)（LED 安裝于一個(gè)熱電制冷片上）