謝仁璞,靳斌,楊艷,岳興鵬
(西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院,四川成都 610039)
熒光粉轉(zhuǎn)換型白光LED(phosphor conversion white light LED,pc-LED)是藍光LED照明應(yīng)用的主要方式[1?2]。YAG:Ce3+熒光粉受藍光激發(fā)會發(fā)熱的現(xiàn)象已經(jīng)被研究者關(guān)注[3?4],新熱源的發(fā)現(xiàn)勢必影響LED結(jié)溫和壽命評估,這也要求LED原來的單熱源下通道熱阻模型,如圖1(a)所示,應(yīng)改進為雙熱源雙通道熱阻模型[5],如圖1(b)所示。文獻[6]在文獻[5]基礎(chǔ)上用T3ster熱阻儀間接測量了LED整體熱阻,用紅外熱像儀測量了熒光膠溫度,并計算了雙熱源雙通道熱模型的上下熱阻值。本課題組注意到pc-LED的上通道散熱不可忽視[7],發(fā)現(xiàn)需要更多的測量信息才能計算出上通道熱阻,同時又受文獻[6]啟發(fā),采用直接測量結(jié)溫和熒光膠溫度的方法進一步研究pc-LED 的散熱狀態(tài)。
圖12 種LED熱模型圖
常規(guī)的結(jié)溫測量方法有正向電壓法[8]、管腳測溫法[9?10]、紅外熱像儀法[11?12]。這些方法大都是間接測量法,受標定精度影響,誤差較大。雖然管腳測溫法是直接測量,但是管腳與LED芯片中間有鍵合金絲,電路板的熱阻、熱容都會引入不確定性。熒光膠溫度測量方法有紅外熱成像法[11?12]、光譜法[13?16]等,它們同樣受標定精度影響。為此,本文將LED芯片焊接在標準PT100芯片上直接測量結(jié)溫,把微型熱電偶頭凝固在熒光膠中測量熒光粉溫度,通過直接測量的數(shù)據(jù),計算各熱阻值和熱流值。
圖2是樣品組成圖,測結(jié)溫用德國森姆特薄膜鉑電阻PT100芯片(5 mm ×2 mm ×1 mm),測量熒光粉溫度用K型熱電偶(觸點直徑為0.2 mm),被測LED是三安光電S-75ABFSD倒裝LED芯片(1.8 mm ×1.8 mm ×0.5 mm),額定功率為1 W。
圖2 樣品組成圖
在PT100芯片上纏繞2條相互絕緣的銅箔膠帶(厚為0.05 mm)作電極;把LED芯片的二電極用回流焊焊接在PT100芯片上制作的銅電極上;再將PT100芯片用回流焊焊接在銅基板(30 mm ×4 mm ×0.5 mm)上。
因為LED倒裝芯片的PN結(jié)面直接焊在PT100芯片感溫面,所以PT100能直接測量LED結(jié)溫。微型熱電偶凝固在熒光膠中,并不與LED倒裝芯片的藍寶石接觸。熒光膠是用直徑15μm的熒光粉與環(huán)氧膠,按質(zhì)量比1:10配制。
測量裝置如圖3所示??删幊讨绷麟娫垂ぷ髟诤懔髂J?,精度為1%,給倒裝LED芯片供電;PT100芯片為A級,精度為0.15℃;萬用表測Pt100電阻,并將電阻換算成溫度,測量精度為1%;創(chuàng)慧積分球和光譜儀CMS-2S,測量光輻射功率,精度為2%;微型熱電偶型號為TT-K-36,精度為1.1℃;溫度測量儀測量熱電偶,精度為1%。實驗前用標準測溫儀和精密熱電阻、熱電偶進行比對測量,保證測量精度。
圖3 測量裝置圖
如圖4所示,本文提出3種模型,并制作3類測試樣品:1)無膠無熒光粉的藍光LED(模型1),與文獻[6]相同;2)有膠無熒光粉的藍光LED(模型2),與文獻[6]相比增加了無窮大熱阻R′g(文獻[6]認為Tg=Tj2),因為本課題組在實驗中發(fā)現(xiàn)純環(huán)氧膠溫度遠高于結(jié)溫,但是沒有出現(xiàn)熒光膠向PN節(jié)傳遞熱量的現(xiàn)象;3)有膠有熒光粉的pc-LED(模型3),形式與文獻[6]相同(文獻[6]設(shè)定),但本文不要求Rg與Rph?a+Rph?j相等。
如圖4所示,3種模型下通道熱阻因為結(jié)構(gòu)和材質(zhì)相同,所以具有相同的值,計為Rj?s?a,是PN結(jié)向下到基板—空氣的熱阻,如式(1)。3種模型LED芯片的發(fā)熱功率主要是芯片內(nèi)量子效率和PN結(jié)的薄膜電阻決定,在同一電功率時,發(fā)熱功率相同,計為Qchip,等于電功率減去模型1的藍光光功率,如式(2)。
模型3的熒光粉熱功率Qphos是藍光光功率沒有完全變?yōu)榘坠夤夤β十a(chǎn)生的,等于模型1的藍光光功率減去模型3的白光光功率,如式(3)所示。
圖43 類LED熱模型圖
在圖4(b)中,模型2的純膠熱功率Qg-a是藍光在膠中產(chǎn)生,等于模型1的藍光光功率減去模型2的藍光光功率,如式(4)所示;模型2的熱阻Rg為測點—硅膠—空氣熱阻,如式(5)所示。
在圖4(c)中,模型3的向下熱功率為Qj?a,如式(6)所示;熒光膠測點到PN結(jié)的熱功率如式(7)所示;熒光膠測點到PN結(jié)的熱阻Rph?j如式(8)所示;熒光膠測點到上空氣的熱功率Qph?a如式(9)所示;熒光膠測點到上空氣的熱阻Rph?a如式(10)所示。
定義模型2總發(fā)熱功率為Q2,all,如式(11)所示;模型3總發(fā)熱功率為Q3,all,如式(12)所示;熒光粉發(fā)熱功率為Q3,YAG,如式(13)所示。
定義模型3等效總熱阻為Reff,j-a如式(14)所示。
在室溫為12.0℃的環(huán)境中,3種樣品依次在恒流模式下從50 mA開始,每次遞增50 mA直至500 mA,先測量電壓、電流、結(jié)溫、膠溫,再將樣品放入積分球中測量光功率。
經(jīng)過8次測量,數(shù)據(jù)穩(wěn)定,重復(fù)性在2%以內(nèi),其中的一組數(shù)據(jù)如表1所示,表中:Pd,w為電功率,Popt,b1為無膠無粉藍光光功率,Popt,b2為有膠有粉藍光光功率,Popt,w為有膠有粉白光光功率,Tph為熒光膠溫度,Tj1為無膠無粉藍光芯片結(jié)溫,Tj2為有膠無粉藍光芯片結(jié)溫,Tj3為有膠有粉白光芯片結(jié)溫,Tg為有膠無粉的環(huán)氧膠溫度。
為驗證本文直接測量的結(jié)溫可靠性,將本文方法與正向電壓法[8]進行對比。在相同條件下,正向電壓法測得的結(jié)溫分別為57.55、58.87、57.31、73.68、72.36、73.37℃,本文方法測得的結(jié)溫分別為61.82、62.14、61.98、77.47、76.89、77.12℃,其結(jié)果相差不大,表明本文方法可信。
本課題組進行多樣品反復(fù)實驗后發(fā)現(xiàn),模型2的環(huán)氧膠溫度Tg明顯高于模型2的結(jié)溫(電功率為1.45 W時,高65.2℃),說明模型2的環(huán)氧膠在發(fā)熱,但是模型2的結(jié)溫和模型1的結(jié)溫幾乎相等,說明模型2的膠沒有向PN結(jié)傳遞熱量,好像存在一個無窮大熱阻Rg′。多次實驗都是這樣結(jié)果,說明不是偶然因素導(dǎo)致,所以本課題組在圖4(b)中加入無窮大熱阻Rg′。
從表1看出,模型3的熒光膠溫度高于模型3的結(jié)溫(電功率1.45 W時,高66.7℃),模型3的結(jié)溫高于模型1的結(jié)溫(電功率1.45 W時,高22.2℃),說明熒光粉在發(fā)熱,而且熱量傳到模型3的PN結(jié),提升了結(jié)溫。模型3盡管有向PN結(jié)傳熱,熒光膠的溫度Tph仍高于模型2的環(huán)氧膠溫度Tg(電功率1.45 W時,高25.8℃),說明摻入熒光粉后發(fā)熱量增量較大。
環(huán)氧膠發(fā)熱在UV-LED應(yīng)用中是常見現(xiàn)象。文獻[8]認為藍光在膠面有全反射,并被表面膠吸收變成熱能,再一個因素是純環(huán)氧膠熱導(dǎo)率低(0.2 W/m℃),YAG:Ce3+熒光粉熱導(dǎo)率高(24 W/m℃),按照質(zhì)量比10:1熒光膠導(dǎo)熱率比環(huán)氧膠提升10倍,所以出現(xiàn):模型2的環(huán)氧膠溫度Tg明顯高于模型2的結(jié)溫,但沒有明顯導(dǎo)熱;模型3的熒光膠的溫度Tph高于模型3的結(jié)溫,而且有明顯的傳熱現(xiàn)象。
表2是基于表1的原始數(shù)據(jù)按照公式(1)—(13),計算出的圖4模型中熱阻值和熱量值,以揭示pc-LED在各種功率下的上下通道熱阻和上下通道傳熱量。
表1 實驗測量3種LED的各參數(shù)值
從表2數(shù)據(jù)看出,模型3的上熱阻Rph?a是下熱阻Rph?j的2.7~5.2倍,這與文獻[6]接近。對比Rph?a+Rph?j與Rg,發(fā)現(xiàn)工作在大功率狀態(tài)時它們很接近,這與文獻[6]一致,而在低功率狀態(tài)時,Rph?a+Rph?j比Rg大20%~30%,與文獻[6]不同。
熒光粉產(chǎn)生的熱量大部分是流向PN結(jié),在表2第10行數(shù)據(jù)看出,熒光粉產(chǎn)生功率為0.259+0.113=0.372 W,是LED芯片發(fā)熱功率0.77 W的48%,約69.6%的熒光粉功率流向PN結(jié),導(dǎo)致模型3的結(jié)溫比模型2的結(jié)溫高24.3℃(表1第10行),少部分通過LED表面向上散失(占電功率1.45 W的10.0%)。
表3是根據(jù)表2數(shù)據(jù)計算的各模型的光功率占總電功率的比例、模型3向空氣的散熱量與熒光粉發(fā)熱量的比例、模型3向空氣的散熱量與總電功率的比例、按照公式(14)計算的模型3的等效總熱阻Reff,j?a、模型3與模型1的熱阻差。
表2 LED熱功率、熱阻計算
從表3第10行數(shù)據(jù)看出,在光功率與總電功率占比方面,模型1并不低(為47.2%,低電功率時,為61.2%),模型3由于熒光粉發(fā)熱,其降低很快(為21.6%~26.6%)。光功率占比降低是由于熱功率占比上升導(dǎo)致,其中LED芯片熱功率Qchip是熒光粉熱功率Q3,YAG(=Qphos)的1~2倍,與文獻[6]接近,LED芯片發(fā)熱比文獻[6]略大。
pc-LED光電轉(zhuǎn)換效率低是共識,通常20%~30%的電功率轉(zhuǎn)換為光,(這與模型3的光功率占比相同)。從表3第6行數(shù)據(jù)看出,模型3的等效熱阻,比模型1的熱阻Rj?s?a?。ū?第7行數(shù)據(jù)),這是因為模型3結(jié)溫雖然升高很多,同時熒光粉也增加了向下流的熱功率,導(dǎo)致向下流的總熱功率也增大了很多。這就出現(xiàn)了模型3比模型1結(jié)溫升高很多,而熱阻反而小,看似矛盾的現(xiàn)象,而且這不能理解為是因為上通道也在散熱造成的。
表3 各模型占比
現(xiàn)在計算結(jié)溫的方法通常都是按照模型1[8]式(15),計算結(jié)溫Tj,而在測試LED熱阻時勢必是按照更真實的模型運行(即模型3),把模型3的等效總熱阻Reff,j-a理解為模型1的下熱阻RLED下,這樣就把RLED下理解小了。
從表3數(shù)據(jù)看出,模型3的PN結(jié)等效熱阻為77.3℃/W(電功率1.45 W時),比模型1的下熱阻Rj?s?a的85.8℃/W小8.6℃/W,這個差值應(yīng)計入燈珠熱阻(因為基板等熱阻環(huán)節(jié)相同)。一般的燈珠熱阻是幾個℃/W,模型認知的錯誤會導(dǎo)致燈珠熱阻評估成倍的減小,導(dǎo)致按照公式(15)計算的結(jié)溫會明顯偏低。
本文采用經(jīng)濟、標準的微型測溫元件,盡可能減小了對熱阻、熱容的影響,還避免了T3ster和紅外熱像儀等昂貴儀器的使用;通過直接測量LED的結(jié)溫和熒光粉溫度,發(fā)現(xiàn)了環(huán)氧膠也有在藍光照射下的發(fā)熱現(xiàn)象,改進了文獻[6]提出的雙熱源雙通道散熱模型;通過計算出的上下通道熱阻和熱流量,揭示了pc-LED的散熱規(guī)律,為LED工程設(shè)計提供理論依據(jù)。