LED熱特性實(shí)際應(yīng)用關(guān)鍵性能探討

   必須清楚地了解LED內(nèi)部從PN結(jié)到環(huán)境的熱特性，從而確保得到一個(gè)安全，可靠的設(shè)計(jì)和令人滿意的性能。在熱流路徑中可能有裸芯片或膠層等多個(gè)導(dǎo)熱界面，并且它們的厚度和熱阻很難在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行控制。此外，在LED封裝和作為散熱器的照明設(shè)備外殼之間的導(dǎo)熱界面進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性。必須在樣機(jī)階段盡可能早地了解LED的熱阻值。

　　電流，顏色和效能

　　LED的光輸出特性主要取決于其工作條件。前向電流增加會(huì)使LED產(chǎn)生更多的光。但當(dāng)前向電流保持不變，光輸出會(huì)隨著LED的溫度升高而下降。圖1描述了溫度，電流和光輸出的關(guān)系。并且描述了一個(gè)LED相關(guān)的顏色光譜在峰值波長(zhǎng)處的偏移。用于普通照明的單色LED，藍(lán)色光譜的峰值會(huì)發(fā)生偏移，因此改變了LED所謂的色溫。這會(huì)對(duì)LED照明空間內(nèi)的感官產(chǎn)生影響。

　　像很多其它產(chǎn)品一樣，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也要權(quán)衡成本和性能。功率分配及因此產(chǎn)生的散熱需求很大程度上是由LED的能量轉(zhuǎn)換效率所決定。其定義為發(fā)出的光能和輸入電功率的比值。能效值與另一個(gè)度量參數(shù)效能有密切關(guān)系，它是一個(gè)關(guān)于有用性的*價(jià)指數(shù)，可感知的光除以提供的電功率的比值。效能被用于*估不同光源的優(yōu)劣。不幸的是LED的效能會(huì)隨著LED結(jié)溫的增加而下降。預(yù)測(cè)LED的輸出光通量是照明設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。提供有效散熱的熱管理解決方案可以在LED實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生更多一致顏色的光通量。

　　熱量從LED封裝芯片開始傳遞，相關(guān)的數(shù)據(jù)由供應(yīng)商提供。圖2 中顯示的是常見的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)。一個(gè)LED燈大約50%的結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻由LED封裝所引起。

　　傳統(tǒng)的LED標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步地完善。相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在起草，但LED供應(yīng)商仍然以不同方式定義它們產(chǎn)品的熱阻和其它與溫度相關(guān)的特性參數(shù)。例如，當(dāng)確定LED熱阻時(shí)忽略了作為條件變量的輻射光功率，那么得到的熱阻值將會(huì)比實(shí)際熱阻值要低。如果實(shí)際的熱阻值更高，則相應(yīng)的LED結(jié)溫也會(huì)更高，從而造成發(fā)出的光通量不夠。所以，了解真實(shí)的LED熱特性參數(shù)是非常重要的。

　　測(cè)量：溫度比光通量更重要

　　假設(shè)LED的溫度與其兩端的前向電壓降成線性關(guān)系。因此，通過(guò)觀察電壓降可以精確地推算出溫度的變化。為了很好地進(jìn)行這個(gè)測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件必須滿足一定的要求。 例如Mentor Graphics的MicReD商業(yè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)就是滿足此類要求的典型設(shè)備。

　　圖3描繪了此類測(cè)量裝置的簡(jiǎn)圖（不成比例）。測(cè)量的第一步是確定前向電壓在一個(gè)非常小的電流下的溫度敏感性，這個(gè)小電流可以是傳感器或測(cè)量電流。之后，LED被施加一個(gè)大電流，從而使其變熱。接著停止施加大電流，并且很小的傳感器電流再次出現(xiàn)，同時(shí)用一個(gè)高采樣率完成前向電壓的測(cè)量，直至LED結(jié)溫完全趨于穩(wěn)定。由于LED快速的熱響應(yīng)，所以測(cè)量的硬件設(shè)備必須能夠捕捉LED電流停止施加后幾微秒內(nèi)的溫度（電壓）改變。如圖3所示，被測(cè)量的LED處于一個(gè)封閉空間內(nèi)，這個(gè)封閉空間是JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的自然對(duì)流腔，它提供了一個(gè)沒(méi)有氣流流通的環(huán)境。T3STer也可以提供類似的裝置。表格1歸納了測(cè)試步驟。

　　在電子行業(yè)，術(shù)語(yǔ)“Z”代表阻抗，在我們的例子中代表熱阻抗。在熱阻抗的曲線中，其表示溫差除以熱功耗的值。因此，圖4中的Z曲線表述了對(duì)于1W熱功耗的溫度改變。

　　熱阻抗曲線Zth總體來(lái)看比較平滑，但局部還是有波動(dòng)，工程師需要解釋其中的原因。而且它是由大量密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)所構(gòu)成，所以潛在的信息非常豐富。集成先進(jìn)應(yīng)用數(shù)學(xué)且功能強(qiáng)大的熱測(cè)試系統(tǒng)可以提供非常有用的Zth 和時(shí)間曲線的分析變換。

　　Zth曲線圖中的數(shù)據(jù)使計(jì)算熱容和熱阻的總體曲線圖成為可能，也就是著名的結(jié)構(gòu)函數(shù)。它是結(jié)點(diǎn)至環(huán)境熱流路徑中熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的圖形表示形式。結(jié)構(gòu)函數(shù)的形式與實(shí)際結(jié)點(diǎn)至環(huán)境熱流路徑保持一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。元件的結(jié)點(diǎn)始終在圖形的原點(diǎn)。圖5中的圖形就描述了這一概念。

　　在LED元件中，由半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量從它的自身開始傳遞。結(jié)點(diǎn)被加熱，之后熱量通過(guò)許多熱阻，同時(shí)加熱熱流路徑上的物體。事實(shí)上，熱量通過(guò)的熱阻越多，更多的熱容被加熱。

　　在圖5中，最初的曲線非常陡峭，同時(shí)熱容被加熱。這個(gè)曲線進(jìn)行了注解，描述了LED/MCPCB，封固劑（導(dǎo)熱硅脂）和照明設(shè)備三個(gè)階段。但在第一個(gè)階段內(nèi)，曲線描述了更小的一些階段，譬如Die attach，散熱板，甚至是緊固銅散熱板和MCPCB的膠水。注意這個(gè)圖形證實(shí)了早期的一個(gè)論點(diǎn)，那就是LED自身的熱阻占整個(gè)系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)至環(huán)境熱阻的50%。

　　再次查看圖3，注意測(cè)量的僅僅是LED元件兩端的電壓。系統(tǒng)是如何得到了整個(gè)照明設(shè)備的熱數(shù)據(jù)呢？答案就是監(jiān)控和觀察溫度的下降曲線。

　　當(dāng)LED Die的溫度開始下降，由于只有一個(gè)對(duì)其溫度有影響的物體直接連接著它，它的溫度下降緩慢。Die 溫度下降所需要的時(shí)間主要取決于熱容，它可以存儲(chǔ)熱量。測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)控溫度微小的改變，并且將其變換為熱阻/熱容數(shù)據(jù)點(diǎn)，如果具有一樣的特性則會(huì)看到類似的曲線。所以對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度有很高的要求。

　　從測(cè)試到模型

　　結(jié)構(gòu)函數(shù)幫助工程師*估整個(gè)散熱路徑中的各個(gè)部分。重要的是它們可以幫助揭示設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，這些問(wèn)題可能影響設(shè)備的生產(chǎn)或可靠性。

　　結(jié)構(gòu)函數(shù)可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成簡(jiǎn)化模型，也就是一個(gè)包含熱阻熱容的等效網(wǎng)絡(luò)，它包含了結(jié)構(gòu)函數(shù)圖形中所包含的所有數(shù)值。圖6描述了類似功率LED等半導(dǎo)體元件的一個(gè)通用模型。當(dāng)然，實(shí)際的模型中R和C會(huì)有具體的數(shù)值。

　　借助瞬態(tài)熱測(cè)試得到的R/C網(wǎng)絡(luò)模型可以直接被用于熱設(shè)計(jì)工具中，在這些熱設(shè)計(jì)工具中對(duì)LED系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真。為了滿足市場(chǎng)對(duì)于它們產(chǎn)品更多熱性能數(shù)據(jù)的要求，一些半導(dǎo)體供應(yīng)商開始使用瞬態(tài)模型去描述它們功率開關(guān)和類似產(chǎn)品的熱性能，這也為L(zhǎng)ED供應(yīng)商在將來(lái)也遵從這種做法提供了借鑒。

　　光度測(cè)量揭示LED的真實(shí)顏色

　　先前所有的努力使照明設(shè)備達(dá)到投放到市場(chǎng)的端口。然而，此時(shí)必須回答一個(gè)重要的問(wèn)題：當(dāng)照明設(shè)備工作在它規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，它預(yù)期發(fā)出多少光？在產(chǎn)品批量生產(chǎn)之前，必須提供樣機(jī)完整的光度和輻射特性。在現(xiàn)在自動(dòng)化工具的幫助下，熱和光測(cè)量可以被同時(shí)進(jìn)行。

　　為了同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，之前已經(jīng)解釋了熱測(cè)試必須與一個(gè)子系統(tǒng)相結(jié)合，這個(gè)子系統(tǒng)是滿足CIE1要求（參見備注）的條件下，用于測(cè)試LED光輸出。這個(gè)子系統(tǒng)包含了一個(gè)恒溫器（類似冷板）和探測(cè)器。兩個(gè)器件由特定的軟件進(jìn)行控制。一個(gè)完全整合的熱/輻射/光度測(cè)試系統(tǒng)可以描述照明設(shè)備的熱阻和光輸出特性，包括了輻射熱流（也就是輸出光功率），光通量和染色性。這些值可以在不同的參考溫度和前向電流條件下，同時(shí)得到測(cè)量。

　　重要的是，對(duì)于普通循環(huán)光度測(cè)試增加熱瞬態(tài)測(cè)試不會(huì)明顯增加測(cè)試時(shí)間。這是因?yàn)橘N附到冷板的功率LED結(jié)溫通常在30~60S之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。LED熱阻測(cè)試之前的加熱過(guò)程，是一個(gè)相類似的過(guò)程。因此，加上熱測(cè)試的測(cè)試時(shí)間與僅僅光輸出測(cè)試的時(shí)間是一樣的；所有的這些特性必須在LED熱穩(wěn)定的條件下測(cè)量。

　　溫度：參考，周圍的，環(huán)境…

　　熱管理解決方案的結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻很容易受到環(huán)境溫度的影響，從而使測(cè)試結(jié)果失真。因此當(dāng)預(yù)測(cè)照明設(shè)備熱性能時(shí)，測(cè)試環(huán)境溫度也就是參考溫度必須注明。但熱和光度/輻射測(cè)量被同時(shí)完成時(shí)，參考溫度就是冷板的溫度。

　　正如之前的解釋，LED特性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作還在進(jìn)行，這也意味著供應(yīng)商在描述它們產(chǎn)品和提供相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)有很大的自由度。通常環(huán)境方面的信息不會(huì)得到重視。關(guān)于產(chǎn)品性能的數(shù)據(jù)可能是照明設(shè)備處于最佳照明時(shí)得到的，可以說(shuō)忽略了真實(shí)工作條件下的一些影響。例如，通常供應(yīng)商提供的LED數(shù)據(jù)是在25oC的環(huán)境溫度條件下，即便LED安裝在燈具中之后其安裝面的溫度為50oC，甚至80oC。在工作狀態(tài)下，實(shí)際的LED結(jié)溫可能處于80~100oC的范圍，從而引起光通量的急劇下降。

　　在圖7a中顯示了兩個(gè)同一廠商的兩個(gè)白色LED光通量和參考溫度的關(guān)系，這兩個(gè)LED具有不同的散熱方式。散熱方式1使用了一塊金屬的PCB板，而散熱方式2使用了傳統(tǒng)的FR4板。此外，兩個(gè)LED樣品的PCB板和散熱器之間使用了不同的導(dǎo)熱界面材料。

　　得到光通量和參考溫度的測(cè)試方法非常簡(jiǎn)單。測(cè)試時(shí)冷板直接影響LED的結(jié)溫。因此，通過(guò)改變冷板的溫度，可以觀察結(jié)溫變化對(duì)于光通量的影響。

　　圖7a中的兩個(gè)LED曲線并不完全平行。因?yàn)闇y(cè)試是基于同一類型的LED，所以人們可能希望兩個(gè)LED的性能是一致的。然而，請(qǐng)注意光通量和參考溫度的曲線圖。采用的導(dǎo)熱界面材料有著不同的溫度影響，從而對(duì)LED結(jié)溫產(chǎn)生不同的影響。不同冷板溫度下的結(jié)構(gòu)函數(shù)可以進(jìn)一步揭示這些影響的程度和產(chǎn)生位置。

　　很多的測(cè)試工作都是關(guān)于確定加熱功耗和每一個(gè)參考溫度下的熱阻值。如果具有這些信息，就可以計(jì)算相應(yīng)的LED結(jié)溫值。如果沒(méi)有進(jìn)一步的測(cè)試要求。工程師可以使用之前的信息，重新繪制LED結(jié)溫與光通量之間的關(guān)系。

　　基于真實(shí)的LED結(jié)溫，重新繪制曲線將消除光通量曲線斜率的偏差。圖7b描述了一組光通量和結(jié)溫的曲線，并且這里的真實(shí)結(jié)溫通過(guò)真實(shí)的加熱功率和真實(shí)的熱阻進(jìn)行計(jì)算得到?，F(xiàn)在對(duì)于同一供應(yīng)商的所有LED樣品，由前向電流值獲得的特性斜率是一致的。光通量微小的偏差相當(dāng)于通常的制造誤差。

　　靜態(tài)測(cè)量，光度測(cè)量和累計(jì)球

　　描述偏色等重要參數(shù)不僅僅要求電流和熱測(cè)試，而且需要一個(gè)完全可控的小型“黑腔”。非常明顯，不讓外部的光影響敏感的波長(zhǎng)讀數(shù)是非常重要的。

　　最簡(jiǎn)單的LED熱阻抗測(cè)量方式是使用四線“Kelvin”測(cè)試裝置的靜態(tài)測(cè)試方法。首先是LED處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，設(shè)定產(chǎn)生需要加熱電流（IH）等級(jí)的前向電流（IF），恒定的加熱電流是LED溫度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，從而產(chǎn)生恒定的光通量。

　　在JEDEC JESD51-1標(biāo)準(zhǔn)定義的靜態(tài)測(cè)試條件下，一旦LED處于熱的狀態(tài)，它的前向電流突然降低到一個(gè)非常低的測(cè)量電流水平，IM（表格1中第2步）。事實(shí)上LED被關(guān)閉，產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)的功率。在這個(gè)階段，測(cè)量相應(yīng)的電壓（表格1第3步）。從LED的前向電壓改變推算LED結(jié)溫的改變。

　　注意，當(dāng)PN結(jié)前向電流突然被停止（在測(cè)試過(guò)程中），不可避免的發(fā)生電瞬態(tài)現(xiàn)象。這個(gè)瞬態(tài)現(xiàn)象會(huì)持續(xù)很短的一段時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)前向電壓的改變無(wú)法描述LED芯片的溫度的改變。因此，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)必須給電瞬態(tài)現(xiàn)象消失留有一個(gè)時(shí)間上的延遲。

　　圖8歸納了變量之間的相互影響。

　　Mentor Graphics 公司MicReD 部門的TERALED熱/輻射測(cè)量系統(tǒng)就是用于LED輻射和光度特性測(cè)量的。它的研發(fā)目的就是為剛才所提及的靜態(tài)測(cè)試提供完整的解決方案。當(dāng)將它連接到T3Ster系統(tǒng)，TERALED可以完成熱瞬態(tài)測(cè)試，從而提供結(jié)構(gòu)函數(shù)，簡(jiǎn)化模型和熱特性數(shù)據(jù)，同時(shí)也獲得光度特性數(shù)據(jù)。

　　TERALED系統(tǒng)包含了各類部件，這些部件是獲得精確，重復(fù)性好的LED重要參數(shù)所必須的：

　　高精度的探測(cè)器和參考光源

　　具有高精度V過(guò)濾器的濾波器組合，以提供光通量測(cè)量

　　具有平坦光譜響應(yīng)的過(guò)濾器，以測(cè)量輻射通量（發(fā)射的光功率）

　　3個(gè)CIE光X-Y顏色坐標(biāo)直接測(cè)量的過(guò)濾器

　　1個(gè)溫度穩(wěn)定的溫度探頭

　　1個(gè)累計(jì)球（“黑腔”）

　　當(dāng)TERALED以單機(jī)模式使用時(shí)，它可以完成光度測(cè)量。當(dāng)結(jié)合T3Ster系統(tǒng)時(shí)可以進(jìn)行熱和光度測(cè)量。圖9是TERALED和T3Ster系統(tǒng)一起使用的簡(jiǎn)圖。

　　結(jié)論：熱，光和成本的平衡

　　每一個(gè)成功的LED照明設(shè)備背后都蘊(yùn)藏著設(shè)計(jì)師在功率LED溫度和熱損耗要求方面做出的很多努力。這些重要的因素影響產(chǎn)品的壽命和它的發(fā)光特性。一個(gè)工作溫度低，且發(fā)出滿足要求光的照明設(shè)備可以在終端用戶那里更長(zhǎng)時(shí)間的工作。

　　MicRED T3Ster自動(dòng)熱測(cè)試系統(tǒng)可以快速完成熱阻測(cè)量和預(yù)測(cè)照明設(shè)備內(nèi)熱量傳遞的路徑。并且T3Ster和TERALED結(jié)合的熱和輻射/光度測(cè)量系統(tǒng)可以得到照明設(shè)備工作溫度，光性能和成本之間的完美平衡。