模組內(nèi)部燈條LED真實(shí)熱阻模擬測(cè)試系統(tǒng)研究與分析

0   引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及能源的日益緊缺，半導(dǎo)體照明的研究獲得了很大的進(jìn)步，而半導(dǎo)體產(chǎn)品具有功耗低、使用壽命長(zhǎng)和響應(yīng)時(shí)間短等眾多優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?，已呈現(xiàn)逐漸取代傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的趨勢(shì)[1]。LED是半導(dǎo)體照明中的關(guān)鍵器件，由于功率越來(lái)越大，大功率LED的耗散功率會(huì)導(dǎo)致LED芯片PN 結(jié)結(jié)溫上升，從而顯著地影響LED的光度、色度和電氣參數(shù)，甚至可能導(dǎo)致器件失效[2-4]。因此，在LED的整機(jī)、模組應(yīng)用中，如電視模組，會(huì)優(yōu)先考慮熱阻小，結(jié)溫低的LED。與此同時(shí)，整機(jī)模組廠商不僅關(guān)注單個(gè)LED熱阻和結(jié)溫測(cè)量，更關(guān)注的是在整機(jī)或者模組狀態(tài)下內(nèi)部燈條LED的真實(shí)熱阻，以便為模組可靠性設(shè)計(jì)提供有力支撐。

目前行業(yè)測(cè)量LED熱阻比較通用、靠譜的方法是電學(xué)參數(shù)法，使用T3ster設(shè)備，T3Ster基于先進(jìn)的JEDEC ‘Static Method’測(cè)試方法（JESD51-1），通過(guò)改變電子器件的輸入功率，使器件產(chǎn)生溫度變化，但該設(shè)備僅能測(cè)量尺度約在30 mm以內(nèi)的小模塊的LED熱阻，無(wú)法評(píng)價(jià)整機(jī)或模組狀態(tài)下的LED熱阻（如常用的32寸到65寸模組）。因此，本文研究?jī)?nèi)容的原理基于電學(xué)參數(shù)方法，并在此基礎(chǔ)上利用“焊腳溫度、環(huán)境溫度”等效法，該方法可以真實(shí)可靠地模擬模組內(nèi)部燈條LED的熱阻特性。

1   測(cè)試原理

LED是一種半導(dǎo)體器件，主要以熱阻來(lái)表征其本身的熱學(xué)特性。在熱平衡的條件下，2個(gè)規(guī)定點(diǎn)（或區(qū)域）溫度差與產(chǎn)生這兩點(diǎn)溫度差的熱耗散功率之比值稱為熱阻，用Rth表示，它表征了LED的散熱能力。熱阻計(jì)算公式如下：

Rth=（Tj-Ts）/P       （1）

其中，Tj 為穩(wěn)定時(shí)待測(cè)LED的結(jié)溫；Ts為穩(wěn)定環(huán)境的參考點(diǎn)溫度；P是待測(cè)LED在熱傳導(dǎo)通道上的耗散功率，Rth為待測(cè)LED P-N結(jié)到指定參考點(diǎn)(S點(diǎn))之間的熱阻。通過(guò)式（1）可知，結(jié)到測(cè)試點(diǎn)Ts的熱阻，可由兩者之間的結(jié)溫與耗散功率比值得到。很多研究已經(jīng)表明，熱阻（結(jié)到焊腳Ts)，與環(huán)境溫度、PCB設(shè)計(jì)、散熱材質(zhì)均強(qiáng)相關(guān)，本文研究基于電學(xué)參數(shù)方法測(cè)試原理，采用的熱阻等效方法，利用“焊腳溫度、環(huán)境溫度”等效，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的PCB規(guī)格，使T3ster熱阻測(cè)試儀可測(cè)量的待測(cè)LED模塊的焊腳及環(huán)境溫度，與真實(shí)模組或整機(jī)狀態(tài)里的LED焊腳及環(huán)境溫度相當(dāng)，利用該模塊測(cè)得的熱阻等效為模組或整機(jī)狀態(tài)里的LED熱阻。其中，被測(cè)模塊與整機(jī)/模組原始燈條LED具有相同的環(huán)境溫度、LED規(guī)格、散熱材質(zhì)、驅(qū)動(dòng)電流及相同的焊腳溫度，因此用被測(cè)模塊熱阻等效原始整機(jī)/模組原始燈條LED熱阻。

2   測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成

本文研究的測(cè)試系統(tǒng)組成框架如圖1所示，主要由電流測(cè)試儀、整機(jī)或者模組、溫度測(cè)試儀和T3ster設(shè)備組成。在整機(jī)或者模組點(diǎn)亮狀態(tài)下，通過(guò)電流測(cè)試儀測(cè)試電路中的驅(qū)動(dòng)電流，從而確定通過(guò)燈條上LED的電流；T3ster設(shè)備測(cè)試整機(jī)或者模組內(nèi)部的燈條LED熱阻；溫度測(cè)試儀測(cè)試在整機(jī)或者模組點(diǎn)亮狀態(tài)下內(nèi)部的環(huán)境溫度和測(cè)試LED的焊腳溫度，從而確定T3ster設(shè)備上設(shè)置的環(huán)境溫度和LED的焊腳溫度。

圖1系統(tǒng)構(gòu)成

3   測(cè)量方法與步驟

1)在點(diǎn)亮狀態(tài)下，測(cè)試模組燈條的實(shí)際工作電流IF；

2)選取模組中溫升最高的LED（一般靠近電源板位置），在煲機(jī)2 h后測(cè)試該LED的焊腳溫度Ts1和模組內(nèi)部環(huán)境溫度Ta1；

3)截?cái)嘣摕魲l上的LED，記錄尺寸為L(zhǎng)1，接好連接線，放置在T3ster的恒溫槽；

4)設(shè)置恒溫槽的溫度為Ta2，Ta1=Ta2，測(cè)試電流為IF。在溫度Ta2穩(wěn)定后，記錄該LED溫升為Ts2；

5)對(duì)比Ts1和Ts2，當(dāng)Ts1＞Ts2，則繼續(xù)縮小燈條PCB板的尺寸，直至Ts1=Ts2；

6)當(dāng)滿足Ta1=Ta2，Ts1=Ts2后，測(cè)試該尺寸長(zhǎng)度的LED的K系數(shù)和降溫曲線，再對(duì)降溫曲線提取結(jié)構(gòu)函數(shù)，進(jìn)行積分結(jié)構(gòu)和微分結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)函數(shù)中自動(dòng)分析出該LED的熱阻；

(7)測(cè)試該LED的熱阻，即等效該LED在模組狀態(tài)下的熱阻。

4   測(cè)試過(guò)程

本次測(cè)試采用43英寸電視模組，首先點(diǎn)亮43英寸模組，用電流測(cè)試儀TDS3032B設(shè)備連接線夾住燈條線，記錄43英寸模組的電流為492 mA。拆開(kāi)該43英寸模組，選擇溫升最高的LED（一般靠近電源板位置），在刮去該LED的燈條PCB銅箔，使該LED與其他LED斷開(kāi)單獨(dú)控制，再用導(dǎo)線把其他LED連接起來(lái)，同時(shí)把單獨(dú)控制的LED負(fù)極連接溫度測(cè)試儀的探頭1，測(cè)試焊腳溫度Ts1，另一個(gè)探頭2放置在該LED附近，測(cè)試環(huán)境溫度Ta1，如圖2所示。裝好43英寸模組，用直流源單獨(dú)點(diǎn)亮該LED，其余正常電源板點(diǎn)亮，煲機(jī)2 h后，記錄探頭1和探頭2對(duì)應(yīng)的焊腳溫度Ts1和Ta1分別為59.9 ℃、50.3 ℃。把43英寸模組測(cè)試的LED取出，連接導(dǎo)線，記錄尺寸L2為14 mm×17 mm，放在T3ster設(shè)備的恒溫槽內(nèi)，如圖3。設(shè)置槽內(nèi)溫度為Ta2=Ta1=50.3 ℃，測(cè)試電流為492 mA，一段時(shí)間后記錄此時(shí)的LED焊腳溫度Ts2為58.9 ℃。由于Ts2＜Ts1，繼續(xù)縮小PCB的尺寸，當(dāng)尺寸L3為14 mm×10 mm，得到的Ts3為60.3 ℃。此時(shí)焊腳溫度Ts3與在43英寸模組內(nèi)部測(cè)試的焊腳溫度Ts1接近，且環(huán)境溫度相同，Ta2=Ta1=Ta3=50.3 ℃，則測(cè)試該尺寸L3的LED在不同環(huán)境溫度下的電壓值，如圖4，由式（2）得到K系數(shù)：

K =ΔT/ΔVF          （2）

然后設(shè)置環(huán)境溫度為Ta2=Ta1=Ta3=50.3 ℃，輸入測(cè)試電流492 mA，一定時(shí)間后達(dá)到熱平衡，設(shè)置電流為1 mA，實(shí)現(xiàn)快速降溫，同時(shí)得出降溫曲線，如圖5。通過(guò)TSP（溫度敏感參數(shù)）獲得LED的瞬態(tài)溫度變化曲線，即將K因子關(guān)系代入電壓變化以獲得瞬態(tài)溫度變化曲線，對(duì)冷卻曲線進(jìn)行數(shù)值處理并提取結(jié)構(gòu)函數(shù)，得到了微分結(jié)構(gòu)曲線和積分結(jié)構(gòu)曲線，如圖6和圖7，從曲線看出，一共有5個(gè)明顯的峰，代表5個(gè)不同位置的熱阻，從左到右分別為PN結(jié)內(nèi)部的熱阻、結(jié)到固晶層的熱阻、結(jié)到焊盤的熱阻、結(jié)到PCB的熱阻、結(jié)到環(huán)境的熱阻，如圖8。我們測(cè)試的位置是燈條的LED負(fù)極焊腳S點(diǎn)，因此，第3個(gè)峰結(jié)到焊盤的熱阻就是我們需要測(cè)試的結(jié)果，從而得出尺寸為L(zhǎng)2和L3時(shí)對(duì)應(yīng)的熱阻為8.38 K/W和8.96 K/W，并在測(cè)試過(guò)程中得出電壓、Tj等參數(shù)。當(dāng)尺寸為L(zhǎng)3時(shí)，43英寸模組內(nèi)部和恒溫槽內(nèi)環(huán)境溫度Ta相同，且焊腳溫度Ts基本一致，此時(shí)尺寸L3的熱阻值可以等效為在43英寸模組內(nèi)真實(shí)的熱阻。

圖2 模組內(nèi)LED連接示意圖

圖3 恒溫槽內(nèi)LED連接示意圖

圖4 瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線（K系數(shù)）

圖5 樣品冷凝曲線（降溫曲線）

圖6 由K系數(shù)和冷凝曲線獲得瞬態(tài)溫度曲線

圖7 代入結(jié)構(gòu)函數(shù)得到L2和L3尺寸對(duì)應(yīng)的熱阻

圖8 LED不同位置熱阻示意圖

5   實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

通過(guò)上述的測(cè)試方法，得出43英寸模組內(nèi)燈條LED的熱阻及相關(guān)光學(xué)參數(shù)，同樣的方式測(cè)得32英寸模組、50英寸模組、55英寸模組和65英寸模組，數(shù)據(jù)如表1。

表1 各種尺寸模組的數(shù)據(jù)

上述表中的環(huán)境溫度Ta，與模組內(nèi)部的燈條數(shù)量及排布有很大關(guān)系，43UHD模組空間小，燈條數(shù)量多，因此模組內(nèi)的環(huán)境溫度比其他尺寸模組大，對(duì)應(yīng)的焊腳溫度Ts、結(jié)溫Tj和熱阻也大。

根據(jù)表中熱阻的測(cè)試結(jié)果，理論計(jì)算公式Rth =（Tj -Ts）/P，式中的Tj、Ts和P=IV可在測(cè)試過(guò)程中得出，推算理論熱阻是否與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。如43UHD模組中，當(dāng)PCB尺寸為14 mm×10 mm時(shí)，環(huán)境溫度和焊腳溫度基本一致，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的熱阻為8.96 K/W，實(shí)驗(yàn)過(guò)程可知Tj=74.3 ℃、Ts=60.3 ℃、P=IV= 1.509 2 W，則可得熱阻為9.14 K/W，實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與理論計(jì)算值接近。

6   結(jié)語(yǔ)

基本電學(xué)參數(shù)法測(cè)試LED的原理，利用“焊腳溫度、環(huán)境溫度”等效，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的PCB規(guī)格，使T3ster熱阻測(cè)試儀可測(cè)量的待測(cè)LED模塊的焊腳及環(huán)境溫度，與真實(shí)模組或整機(jī)狀態(tài)里的LED焊腳及環(huán)境溫度相當(dāng)，該模塊測(cè)得的熱阻即可等效為模組或整機(jī)狀態(tài)里的LED熱阻。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)上述方法可行并具有較高的可信度，通過(guò)這種等效的辦法，可以解決T3ster設(shè)備無(wú)法評(píng)價(jià)整機(jī)或模組狀態(tài)下的LED熱阻，真實(shí)還原在模組、整機(jī)內(nèi)LED熱阻發(fā)熱狀態(tài)，提高整機(jī)、模組LED壽命評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性、科學(xué)性，提升可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] HELIOTOTIS G，STAVRINOUS P N，BRADLEY D D C.Spectral conversion of InGaN ultraviolet microcavity light-emitting diodes using fluorine-based red，green-，blue- and white-light-emitting polymer overlayer films [J] .Appl.Phys.Lett.，2005，87：503-505.

[2] 王建，黃先，劉麗，等.溫度和電流對(duì)白光LED發(fā)光效率的影響[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2008，29(2)：358-363.

[3] 劉一兵，丁潔.功率型LED封裝技術(shù)[J].液晶與顯示，2008，23(4)：508-512.

[4] 陳明祥，馬澤濤，劉勝.LED感應(yīng)局部加熱封裝試驗(yàn)研究[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2007，28(2)：241-246.

[6] International Organization for Standardization.MIL-STD-750D Notice 3 Method 3101.3 Thermal Impedance(Response)Testing of Diodes[S].2006.

[7] 中華人民共和國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部.SJ 20788-2000半導(dǎo)體二極管熱阻抗測(cè)試方法[S].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2020年12月期）