- 電壓法測量LED結(jié)溫的原理
- 測試儀器性能介紹
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。目前由于LED熱性能原因,LED及其燈具不能達到理想的使用壽命;LED在工作狀態(tài)時的結(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燈具的導熱系統(tǒng)設(shè)計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試,對于LED的生產(chǎn)和應(yīng)用研發(fā)都有十分直接的意義。
電壓法測量LED結(jié)溫的原理
LED熱性能的測試首先要測試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。目前實際使用的是電壓法。1995年12月電子工業(yè)聯(lián)合會/電子工程設(shè)計發(fā)展聯(lián)合會議發(fā)布的>標準對于電壓法測量半導體結(jié)溫的原理、方法和要求等都作了詳細規(guī)范。
電壓法測量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,所以只要測試到兩個以上溫度點的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,就可以通過測量實時的Vf值,計算出芯片的溫度(結(jié)溫)Tj。為了減小電壓測量帶來的誤差,>標準規(guī)定測量系數(shù)K時,兩個溫度點溫差應(yīng)該大于等于50度。對于用電壓法測量結(jié)溫的儀器有幾個基本的要求：
A、電壓法測量結(jié)溫的基礎(chǔ)是特定的測試電流下的Vf測量,而LED芯片由于溫度變化帶來的電壓變化是毫伏級的,所以要求測試儀器對電壓測量的穩(wěn)定度必須足夠高,連續(xù)測量的波動幅度應(yīng)小于1mV。
B、這個測試電流必須足夠小,以免在測試過程中引起芯片溫度變化;但是太小時會引起電壓測量不穩(wěn)定,有些LED存在匝流體效應(yīng)會影響Vf測試的穩(wěn)定性,所以要求測試電流不小于IV曲線的拐點位置的電流值。
C、由于測試LED結(jié)溫是在工作條件下進行的,從工作電流(或加熱電流)降到測試電流的過程必須足夠快和穩(wěn)定,Vf測試的時間也必須足夠短,才能保證測試過程不會引起結(jié)溫下降。
在測量瞬態(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=【TaTj】/P
其中Ta是系統(tǒng)內(nèi)參考點的溫度(如基板溫度),Tj是結(jié)溫,P是使芯片發(fā)熱的功率對于LED可以認為就是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,對熱阻的定義有差別,測試時需要相應(yīng)的支架和夾具配套。SEMI的標準中定義了兩種熱阻值,Rja和Rjb,其中：Rja是測量在自然對流或強制對流條件下從芯片接面到大氣中的熱傳導,情形如圖一(a)所示。
圖一
Rja在標準規(guī)范的條件下測量,可用于比較不同封裝散熱的情況。
Rjb是指在自然對流以及風洞環(huán)境下由芯片接面?zhèn)鞯较路綔y試板部分熱傳時所產(chǎn)生的熱阻,可用于由板溫去預(yù)測結(jié)溫。見圖二
圖二
大功率LED封裝都帶基板,絕大部分熱從基板通過散熱板散發(fā),測量LED熱阻主要是指LED芯片到基板的熱阻。與Rjc的情況更加接近。見圖三
圖三
幾款測試儀器性能介紹
目前用于LED熱性能測試的設(shè)備是參照EIA/JESD51標準的要求進行設(shè)計的。典型的設(shè)備有：MicReD公司的T3Ster®;AnaTech公司的Phase10ThermalAnalyzer;TEA公司的differentTTSsystems等。由于LED熱性測試的進口設(shè)備價格昂貴,使用復雜,目前國內(nèi)只有很少的單位配備了進口設(shè)備。目前國產(chǎn)設(shè)備和進口設(shè)備相比,綜合技術(shù)指標方面有一定差距,尤其是分析軟件方面差距較大。但是由于LED芯片體積較大,測試要求和集成電路的測試要求有很大不同,大部指標已經(jīng)可以完全滿足測試要求。在價格方面國產(chǎn)設(shè)備有很大競爭優(yōu)勢,設(shè)計要求也以LED測試為主,使用方便,有利LED熱性能測試的廣泛使用。
