電壓法LED結(jié)溫及熱阻測(cè)試原理

LED應(yīng)用于照明除了節(jié)能外,長壽命也是其十分重要的優(yōu)勢(shì)。目前由于LED 熱性能原因,LED 及其燈具不能達(dá) 到理想的使用壽命;LED 在工作狀態(tài)時(shí)的結(jié)溫直接關(guān)系到其壽命和光效;熱阻則直接影響LED 在同等使用條件下 LED 的結(jié)溫;LED 燈具的導(dǎo)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理也直接影響燈具 的壽命。因此功率型 LED 及其燈具的熱性能測(cè)試 ,對(duì)于 LED 的生產(chǎn)和應(yīng)用研發(fā)都有十分 直接的意義。以下將簡述LED 及其燈具的主要熱性能指標(biāo),電壓溫度系數(shù)K、結(jié)溫和熱阻的測(cè)試原理、測(cè)試設(shè)備、測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試方法,以供LED 研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用企業(yè)參考。

　　一、電壓法測(cè)量 LED 結(jié)溫的原理

　　LED 熱性能的測(cè)試首先要測(cè)試 LED 的結(jié)溫,即工作狀態(tài)下 LED 的芯片的溫度。關(guān)于LED 芯片溫度的測(cè)試,理論上有多種方法,如紅外光譜法、波長分析法和電壓法等等。目前實(shí)際使用的是電壓法。1995 年 12 月電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)/電子工程 設(shè)計(jì)發(fā)展聯(lián)合會(huì)議發(fā)布的> 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電壓法測(cè)量半導(dǎo)體 結(jié)溫的原理、方法和要求等都作了詳細(xì)規(guī)范。

　　電壓法測(cè)量LED 結(jié)溫的主要思想是：特定電流下 LED 的正向壓降 Vf 與 LED 芯片的 溫度成線性關(guān)系,所以只要測(cè)試到兩個(gè)以上溫度點(diǎn)的Vf 值,就可以確定該 LED 電壓與溫 度的關(guān)系斜率,即電壓溫度系數(shù) K 值,單位是 mV/°C 。K 值可由公式K=ㄓVf/ㄓTj 求得。K 值有了,就可以通過測(cè)量實(shí)時(shí)的 Vf 值,計(jì)算出芯片的溫度(結(jié)溫)Tj 。 為了減小電壓測(cè)量帶來的誤差,> 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)量系數(shù) K 時(shí),兩個(gè)溫度 點(diǎn)溫差應(yīng)該大于等于50 度。對(duì)于用電壓法測(cè)量結(jié)溫的儀器有幾個(gè)基本的要求：A、電壓法測(cè)量結(jié)溫的基礎(chǔ)是特定的測(cè)試電流下的 Vf 測(cè)量,而 LED 芯片由于溫度變 化帶來的電壓變化是毫伏級(jí)的,所以要求測(cè)試儀器對(duì)電壓測(cè)量的穩(wěn)定度必須足夠高,連續(xù)測(cè)量的波動(dòng)幅度應(yīng)小于 1mV 。

　　B、這個(gè)測(cè)試電流必須足夠小,以免在測(cè)試過程中引起芯片溫度變化;但是太小時(shí)會(huì)引起電壓測(cè)量不穩(wěn)定,有些 LED 存在匝流體效應(yīng)會(huì)影響 Vf 測(cè)試的穩(wěn)定性,所以要求測(cè)試 電流不小于 IV 曲線的拐點(diǎn)位置的電流值。

　　C、由于測(cè)試LED 結(jié)溫是在工作條件下進(jìn)行的,從工作電流(或加熱電流)降到測(cè) 試電流的過程必須足夠快和穩(wěn)定,Vf 測(cè)試的時(shí)間也必須足夠短,才能保證測(cè)試過程不會(huì)引 起結(jié)溫下降。

　　在測(cè)量瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)條件的結(jié)溫的基礎(chǔ)上, 可以根據(jù)下面公式算出LED 相應(yīng)的熱阻值：

　　Rja=ㄓT/P= 【Ta Tj 】/P

　　其中 Ta 是系統(tǒng)內(nèi)參考點(diǎn)的溫度(如基板溫度),Tj 是結(jié)溫,P 是使芯片發(fā)熱的功率對(duì)于 LED 可以認(rèn)為就是 LED 電功率減去發(fā)光功率 。 由于 LED 的封裝方式不同,安裝使用情況不同,對(duì)熱阻的定義有差別,測(cè)試時(shí)需要相應(yīng)的支架和夾具配套。SEMI 的標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種熱阻值,Rja 和 Rjb ,其中：Rja 是測(cè)量在自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流條件下從芯片接面到大氣中的熱傳導(dǎo), 情形如圖一(a)所示。

　　圖一

　　Rja 在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的條件下測(cè)量,可用于比較不同封裝散熱的情況。

　　Rjb 是指在自然對(duì)流以及風(fēng)洞環(huán)境下由芯片接面?zhèn)鞯较路綔y(cè)試板部分熱傳時(shí)所產(chǎn)生 的熱阻,可用于由板溫去預(yù)測(cè)結(jié)溫。見圖二

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