廈門(mén)多彩光電子科技有限公司 涂慶鎮(zhèn)

1 前言

隨著LED相關(guān)各項(xiàng)技術(shù)的飛速發(fā)展，很多技術(shù)在LED領(lǐng)域得到了應(yīng)用，LED照明技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)鎢絲燈泡的地位。在大功率LED領(lǐng)域，現(xiàn)技術(shù)仍然存在一定問(wèn)題，大功率器件的能量利用效率較低，LED的可靠性得不到保證，穩(wěn)定性不足，熱阻問(wèn)題沒(méi)有得到足夠的重視，對(duì)熱敏感的研究不足，想要繼續(xù)發(fā)展大功率 LED產(chǎn)業(yè)，必須要解決LED的熱阻問(wèn)題。

2 LED熱阻熱敏感性研究的背景分析

大功率LED與普通LED是不同的，普通LED工作時(shí)的電流低于60ma，工作時(shí)的功率在1W以下，而大功率的LED器件工作時(shí)的電流通常在60ma～1000ma，工作時(shí)的功率要大于1W。功率較大的LED目前應(yīng)用廣泛，在各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)下LED正在逐步取代傳統(tǒng)照明光源，因此世界上各個(gè)國(guó)家和大型照明企業(yè)都在不遺余力地發(fā)展LED相關(guān)技術(shù)，爭(zhēng)奪的技術(shù)制高點(diǎn)[1]。

然而LED技術(shù)的發(fā)展并不是一帆風(fēng)順的，盡管很多國(guó)家和大型企業(yè)都投入大量財(cái)力和精力進(jìn)行研發(fā)，但是當(dāng)前LED發(fā)展?fàn)顩r與研發(fā)的理想狀態(tài)仍然存在一定的差距，GaN的LED內(nèi)量子效率在80%以下，內(nèi)量子效率只能維持在30%左右，可以看出相關(guān)技術(shù)的技術(shù)障礙仍然存在，LED仍然具有非常大的提升空間。預(yù)期設(shè)定的100000h的使用時(shí)間的無(wú)法得到保證，器件的穩(wěn)定性還是有待提高，可靠性不足，這些是亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題[2]。

3 大功率LED器件的發(fā)展現(xiàn)狀分析

3.1 大功率LED結(jié)溫測(cè)定技術(shù)現(xiàn)狀分析

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和LED功率不斷的升高，LED芯片的PN結(jié)溫度較之以前明顯的升高，LED的性能表現(xiàn)也相應(yīng)受到影響，造成諸如亮度降低、色溫漂移、能量轉(zhuǎn)換效率低下等問(wèn)題，此外還會(huì)造成使用壽命縮短等問(wèn)題[3]。與傳統(tǒng)照明方式相比，散熱問(wèn)題一樣是LED設(shè)備需要解決的問(wèn)題，而散熱能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)就是對(duì)LED的結(jié)溫進(jìn)行測(cè)定。熱敏電阻本身存在熱阻抗，會(huì)對(duì)LED造成一定的影響，同樣成本也過(guò)高，一般應(yīng)用在LED的研發(fā)過(guò)程中，已經(jīng)投入生產(chǎn)的產(chǎn)品測(cè)溫一般不采用這種方式[4]。

3.2 大功率LED熱阻測(cè)定技術(shù)現(xiàn)狀分析

按照J(rèn)ESD51-14標(biāo)準(zhǔn)，在測(cè)定熱阻時(shí)可以通過(guò)先測(cè)定出LED的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得到LED的熱阻數(shù)據(jù)，再通過(guò)函數(shù)進(jìn)行分析，最終得到LED的的封裝熱阻。我國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了BJ298X系列的儀器，可以準(zhǔn)確的測(cè)定熱阻。不過(guò)此類(lèi)儀器一般都體積較大，不便于攜帶，而且使用規(guī)程復(fù)雜，步驟較多，一般只用于實(shí)驗(yàn)室中。

4 LED器件熱阻的測(cè)定原理和方法

4.1 LED器件熱阻測(cè)定的物理模型

在LED的熱阻測(cè)定中，LED底座的溫度Ts不能被用直接的測(cè)量方式得到，需要通過(guò)間接方式進(jìn)行測(cè)量。為了減小測(cè)定帶來(lái)的誤差，文章通過(guò)對(duì)LED的非線性降溫線進(jìn)行測(cè)定，獲得LED的底座溫度和結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)。由于LED底座的溫度較為恒定，并且底座的體積不大，因此不易產(chǎn)生影響。將LED點(diǎn)亮，斷流后使用方程式進(jìn)行計(jì)算，假如芯片熱容非常小，那么可以視為斷流后的散熱不會(huì)引起底座溫度Ts的變化，那么方程為：CsΔTs/Δt=Ts-Ta/Rs-a,若初始溫度為T(mén)s0，那么Ts=Ts0，t=0，底座的溫度與外部溫度相同，即：Ts=Ta，t=∞，對(duì)方程進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)長(zhǎng)ED的芯片熱容Cj是比較小的，所以Rj-sCj的數(shù)值較小。在進(jìn)行脈沖電壓沖擊LED前后的時(shí)候，脈沖值約為15μs，200ma，LED的結(jié)溫在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后會(huì)升高到55℃，然后在10μs以?xún)?nèi)降低到外部溫度數(shù)值，因?yàn)長(zhǎng)ED的散熱時(shí)間較長(zhǎng)，所以有Rs-aCs>Rj-sCj。由上述方程進(jìn)行分析，可以簡(jiǎn)化為：Tj=(Tj0-Ts0)e-t/Rj-sCj+(Ts0-Ta)e-t/Rs-aCs+Ta,在LED斷去電流之后該數(shù)值迅速?gòu)?0μs下降到0，LED的溫度與底座溫度相同，得到衰減的規(guī)律，通過(guò)規(guī)律對(duì)Ts0進(jìn)行測(cè)算可以得到斷流瞬間的底座溫度，從而實(shí)現(xiàn)了不通過(guò)金屬板媒介而得到了底座溫度的數(shù)據(jù)。

4.2 LED熱阻的測(cè)量步驟

在30℃、40℃、50℃、60℃條件下分別使用1ma的電流讓LED進(jìn)行工作，對(duì)正方向的電壓進(jìn)行測(cè)定和記錄，得到LED的相關(guān)數(shù)據(jù)。

使LED器件持續(xù)工作，按照恒定的時(shí)間間隔0.2s進(jìn)行電流I、電壓U和結(jié)溫的測(cè)定。在結(jié)溫測(cè)定時(shí)，要在50μs內(nèi)將電流I切換到1ma，測(cè)定LED正壓獲得LED結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，然后提升電流I至大電流，可得：LED在切換到較小電流之后結(jié)溫會(huì)比較快的下降，因此換流后應(yīng)改變?yōu)?MHz的速度對(duì)正壓進(jìn)行采集和測(cè)定，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，得到瞬間LED正壓從而利用電壓得到LED的結(jié)溫。

在LED的結(jié)溫不變之后對(duì)LED的電流進(jìn)行切斷，按恒定的時(shí)間0.2s繼續(xù)對(duì)結(jié)溫進(jìn)行數(shù)值的測(cè)定，在LED的該項(xiàng)數(shù)據(jù)下降到外部環(huán)境溫度后停止測(cè)定。

測(cè)定完成后按照原理和方法進(jìn)行數(shù)值確定，將LED工作時(shí)的結(jié)溫的均值作為L(zhǎng)ED的工作結(jié)溫，將工作功率取平均值作為L(zhǎng)ED的正常工作功率。

關(guān)閉電流后在10s以?xún)?nèi)對(duì)結(jié)溫進(jìn)行指數(shù)的擬合程度分析，然后得到關(guān)閉時(shí)刻的LED底座溫度。

使用公式對(duì)LED的熱阻進(jìn)行計(jì)算：Rj-s=(Tj0-Ts0)/P。

5 LED器件熱阻測(cè)定的結(jié)果及分析

5.1 工作電流對(duì)LED熱阻的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電流在60ma～1000ma之間進(jìn)行變化，LED的熱阻隨著電流的變化而變化，具體體現(xiàn)為隨電流增加體現(xiàn)出先變小后變大的規(guī)律，LED在350ma的電流下進(jìn)行工作時(shí)是比較安全與穩(wěn)定的，LED受散熱的影響較小，能量轉(zhuǎn)化效率較高，在電流繼續(xù)增加的情況下，功率的增速明顯與電流的增速不相匹配，表明在能量轉(zhuǎn)換中更多的電能轉(zhuǎn)化為了熱能，導(dǎo)致結(jié)溫的上升，并且過(guò)大的電流導(dǎo)致了LED各部件連接處的故障率上升，內(nèi)部材料因?yàn)殡娏饔绊懏a(chǎn)生了變化，PN結(jié)結(jié)溫會(huì)升高，因?yàn)楣β噬仙黾拥臒崃坎荒軅鬟f到設(shè)定位置，熱阻會(huì)迅速升高。

5.2 基板溫度對(duì)LED熱阻的影響

基板主要為鋁基板和陶瓷基板兩種，在鋁基板的元件中熱阻會(huì)隨著溫度的增加而變化，主要表現(xiàn)為L(zhǎng)ED熱阻隨溫度上升而降低，變化速度由快到慢。在陶瓷基板的LED器件熱阻在65℃以下時(shí)是減小的態(tài)勢(shì)，而在65℃以上時(shí)會(huì)產(chǎn)生上揚(yáng)趨勢(shì)，在65℃這個(gè)階段，LED的工作狀態(tài)比較良好，器件內(nèi)各零件運(yùn)行較為穩(wěn)定，熱阻較小，發(fā)熱量較低，在溫度大于65℃時(shí)，芯片的溫度是在80℃到110℃，GaN的對(duì)熱量的傳導(dǎo)效果呈下降的趨勢(shì)。隨著溫度繼續(xù)升高，電能轉(zhuǎn)換成光能的效率慢慢地變低，因?yàn)殇X基板和陶瓷制的材料不同，所以呈現(xiàn)的情況有所不同，鋁制封裝LED熱阻會(huì)降低，而陶瓷制LED的電光轉(zhuǎn)換效率變化不大，因?yàn)樘沾傻膶?dǎo)熱性能較好，所以熱量會(huì)進(jìn)行傳導(dǎo)，造成陶瓷基板LED的熱阻上升。這兩種材料封裝的LED在光性能方面也表現(xiàn)不同，鋁基板LED的斜率比陶瓷基板LED要大一些，兩種材料分別為-0.54mW/℃和-0.36mW/℃，陶瓷材料在溫度變化時(shí)候的光學(xué)性能是比較恒定的，陶瓷的導(dǎo)熱性能優(yōu)秀，芯片的溫度是比較低的，LED的光學(xué)性能良好。

5.3 互連材料對(duì)LED熱阻的影響

不同互連材料對(duì)LED熱阻的影響是不同的，14W/(m·K)的銀膠封裝LED熱阻為13.79℃/W，67W/(m·K)的錫膏LED熱阻降低為9.57℃/W，說(shuō)明LED內(nèi)部互連材料是影響LED熱阻的重要因素。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著LED的發(fā)展，近些年來(lái)大功率LED器件的應(yīng)用范圍逐漸變大。在LED器件的使用中，其發(fā)熱問(wèn)題是必須重視的，發(fā)熱問(wèn)題影響器件的正常使用和照明效果，甚至?xí)绊慙ED的使用壽命，因此對(duì)LED的熱阻的熱敏感性進(jìn)行研究是非常有必要的。通過(guò)對(duì)熱阻的有關(guān)研究，可以降低LED設(shè)備的工作結(jié)溫，有效提高LED器件的壽命和使用體驗(yàn)，提高LED廠家的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]余彬海,王垚浩.結(jié)溫與熱阻制約大功率LED發(fā)展[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2015,26(6): 761-766.

[2]毛德豐,郭偉琳,高國(guó)等.功率LED結(jié)溫和熱阻在不同電流下的性質(zhì)研究[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,2015,30(2):308-312.

[3]莊鵬.大功率LED的熱阻測(cè)量與結(jié)構(gòu)分析[J].現(xiàn)代顯示,2016,(9):25-29.

[4]吳慧穎,錢(qián)可元,胡飛等.倒裝大功率白光LED場(chǎng)分析與測(cè)試[J].光電子·激光,2015,16(5):511-514 .