pc-LED雙熱源熱模型實驗研究

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。

1 實驗

1.1 樣品制備

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。

1.2 測量裝置

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

1.3 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

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。

1.4 實驗公式

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。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

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小（表3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。

3 結(jié)論

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)。