大功率LED器件熱阻的熱敏感性研究

廈門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，熱阻問題沒有得到足夠的重視，對熱敏感的研究不足，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工作時的電流低于60ma，工作時的功率在1W以下，而大功率的LED器件工作時的電流通常在60ma～1000ma，工作時的功率要大于1W。功率較大的LED目前應(yīng)用廣泛，在各項技術(shù)的進步推動下LED正在逐步取代傳統(tǒng)照明光源，因此世界上各個國家和大型照明企業(yè)都在不遺余力地發(fā)展LED相關(guān)技術(shù)，爭奪的技術(shù)制高點[1]。

然而LED技術(shù)的發(fā)展并不是一帆風(fēng)順的，盡管很多國家和大型企業(yè)都投入大量財力和精力進行研發(fā)，但是當前LED發(fā)展狀況與研發(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的使用時間的無法得到保證，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)換效率低下等問題，此外還會造成使用壽命縮短等問題[3]。與傳統(tǒng)照明方式相比，散熱問題一樣是LED設(shè)備需要解決的問題，而散熱能力的衡量標準就是對LED的結(jié)溫進行測定。熱敏電阻本身存在熱阻抗，會對LED造成一定的影響，同樣成本也過高，一般應(yīng)用在LED的研發(fā)過程中，已經(jīng)投入生產(chǎn)的產(chǎn)品測溫一般不采用這種方式[4]。

3.2 大功率LED熱阻測定技術(shù)現(xiàn)狀分析

按照JESD51-14標準，在測定熱阻時可以通過先測定出LED的結(jié)溫數(shù)據(jù)經(jīng)計算得到LED的熱阻數(shù)據(jù)，再通過函數(shù)進行分析，最終得到LED的的封裝熱阻。我國研發(fā)團隊研發(fā)了BJ298X系列的儀器，可以準確的測定熱阻。不過此類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，一般只用于實驗室中。

4 LED器件熱阻的測定原理和方法

4.1 LED器件熱阻測定的物理模型

在LED的熱阻測定中，LED底座的溫度Ts不能被用直接的測量方式得到，需要通過間接方式進行測量。為了減小測定帶來的誤差，文章通過對LED的非線性降溫線進行測定，獲得LED的底座溫度和結(jié)溫數(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點亮，斷流后使用方程式進行計算，假如芯片熱容非常小，那么可以視為斷流后的散熱不會引起底座溫度Ts的變化，那么方程為：CsΔTs/Δt=Ts-Ta/Rs-a,若初始溫度為Ts0，那么Ts=Ts0，t=0，底座的溫度與外部溫度相同，即：Ts=Ta，t=∞，對方程進行計算。因為LED的芯片熱容Cj是比較小的，所以Rj-sCj的數(shù)值較小。在進行脈沖電壓沖擊LED前后的時候，脈沖值約為15μs，200ma，LED的結(jié)溫在實驗開始后會升高到55℃，然后在10μs以內(nèi)降低到外部溫度數(shù)值，因為LED的散熱時間較長，所以有Rs-aCs>Rj-sCj。由上述方程進行分析，可以簡化為：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)值迅速從10μs下降到0，LED的溫度與底座溫度相同，得到衰減的規(guī)律，通過規(guī)律對Ts0進行測算可以得到斷流瞬間的底座溫度，從而實現(xiàn)了不通過金屬板媒介而得到了底座溫度的數(shù)據(jù)。

4.2 LED熱阻的測量步驟

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

使LED器件持續(xù)工作，按照恒定的時間間隔0.2s進行電流I、電壓U和結(jié)溫的測定。在結(jié)溫測定時，要在50μs內(nèi)將電流I切換到1ma，測定LED正壓獲得LED結(jié)溫數(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)溫會比較快的下降，因此換流后應(yīng)改變?yōu)?MHz的速度對正壓進行采集和測定，然后進行數(shù)據(jù)的處理和計算，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LED的電流進行切斷，按恒定的時間0.2s繼續(xù)對結(jié)溫進行數(shù)值的測定，在LED的該項數(shù)據(jù)下降到外部環(huán)境溫度后停止測定。

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

關(guān)閉電流后在10s以內(nèi)對結(jié)溫進行指數(shù)的擬合程度分析，然后得到關(guān)閉時刻的LED底座溫度。

使用公式對LED的熱阻進行計算：Rj-s=(Tj0-Ts0)/P。

5 LED器件熱阻測定的結(jié)果及分析

5.1 工作電流對LED熱阻的影響

通過實驗對電流在60ma～1000ma之間進行變化，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的電流下進行工作時是比較安全與穩(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)部材料因為電流影響產(chǎn)生了變化，PN結(jié)結(jié)溫會升高，因為功率上升所增加的熱量不能傳遞到設(shè)定位置，熱阻會迅速升高。

5.2 基板溫度對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隨著溫度的增加而變化，主要表現(xiàn)為LED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℃以下時是減小的態(tài)勢，而在65℃以上時會產(chǎn)生上揚趨勢，在65℃這個階段，LED的工作狀態(tài)比較良好，器件內(nèi)各零件運行較為穩(wěn)定，熱阻較小，發(fā)熱量較低，在溫度大于65℃時，芯片的溫度是在80℃到110℃，GaN的對熱量的傳導(dǎo)效果呈下降的趨勢。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，因為鋁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熱阻會降低，而陶瓷制LED的電光轉(zhuǎn)換效率變化不大，因為陶瓷的導(dǎo)熱性能較好，所以熱量會進行傳導(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LED熱阻的影響

不同互連材料對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

隨著LED的發(fā)展，近些年來大功率LED器件的應(yīng)用范圍逐漸變大。在LED器件的使用中，其發(fā)熱問題是必須重視的，發(fā)熱問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LED的熱阻的熱敏感性進行研究是非常有必要的。通過對熱阻的有關(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，提高LED廠家的市場競爭力。

[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,2015,26(6): 761-766.

[2]毛德豐,郭偉琳,高國等.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)研究與進展,2015,30(2):308-312.

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

[4]吳慧穎,錢可元,胡飛等.倒裝大功率白光LED場分析與測試[J].光電子·激光,2015,16(5):511-514 .