- 電壓法測量LED結溫的原理
- 測試儀器性能介紹
LED應用于照明除了節能外,長壽命也是其十分重要的優勢。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在工作狀態時的結溫直接關系到其壽命和光效;熱阻則直接影響LED在同等使用條件下LED的結溫;LED燈具的導熱系統設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的生產和應用研發都有十分直接的意義。
電壓法測量LED結溫的原理
LED熱性能的測試首先要測試LED的結溫,即工作狀態下LED的芯片的溫度。關于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月電子工業聯合會/電子工程設計發展聯合會議發布的>標準對于電壓法測量半導體結溫的原理、方法和要求等都作了詳細規范。
電壓法測量LED結溫的主要思想是：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電壓與溫度的關系斜率,即電壓溫度系數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(結溫)Tj。為了減小電壓測量帶來的誤差,>標準規定測量系數K時,兩個溫度點溫差應該大于等于50度。對于用電壓法測量結溫的儀器有幾個基本的要求：
A、電壓法測量結溫的基礎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定度必須足夠高,連續測量的波動幅度應小于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定,有些LED存在匝流體效應會影響Vf測試的穩定性,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溫下降。
在測量瞬態和穩態條件的結溫的基礎上,可以根據下面公式算出LED相應的熱阻值：
Rja=ㄓT/P=【TaTj】/P
其中Ta是系統內參考點的溫度(如基板溫度),Tj是結溫,P是使芯片發熱的功率對于LED可以認為就是LED電功率減去發光功率。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境下由芯片接面傳到下方測試板部分熱傳時所產生的熱阻,可用于由板溫去預測結溫。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,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熱性能測試的設備是參照EIA/JESD51標準的要求進行設計的。典型的設備有：MicReD公司的T3Ster®;AnaTech公司的Phase10ThermalAnalyzer;TEA公司的differentTTSsystems等。由于LED熱性測試的進口設備價格昂貴,使用復雜,目前國內只有很少的單位配備了進口設備。目前國產設備和進口設備相比,綜合技術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,大部指標已經可以完全滿足測試要求。在價格方面國產設備有很大競爭優勢,設計要求也以LED測試為主,使用方便,有利LED熱性能測試的廣泛使用。
