新的挑戰(zhàn)！高功率/高亮度發(fā)光二極管的封裝熱特性參數(shù)

本文來(lái)源 Electronics Cooling Magazine Vol.14, No.2，翻譯by lelele @ 263.net.
原文見(jiàn)http://www. electronics -cooling.com/html/2008_may_a1.php
作者：Li Zhang，Philips Lumileds Lighting
Theo Treurniet，Philips Lighting

前言
近年來(lái)，高功率/高亮度發(fā)光二極管（LEDs）在照明中的應(yīng)用越來(lái)越多，其功率密度也越來(lái)越大（最新的產(chǎn)品的功率已經(jīng)高達(dá)200-300W/cm2）；因此，將LED 內(nèi)部的晶片溫度維持在一個(gè)較低的水平也變得非常困難。并且，出于成本、噪音和可靠性的考慮，使用主動(dòng)散熱的方式并不現(xiàn)實(shí)；而傳統(tǒng)光源中所常用的輻射散熱的方式也由于LED 內(nèi)部的晶片溫度較低而難以奏效。
LED 內(nèi)部的晶片溫度，通常也被叫做“結(jié)溫”，對(duì)其光學(xué)性能和可靠性有著很大的影響。
例如，較高的晶片溫度會(huì)使得發(fā)光效率降低（以單位功率產(chǎn)生的光通量表示），并造成色點(diǎn)和色溫的漂移。發(fā)光效率的退化在很大程度上是由內(nèi)量子效率的降低所引起的。而長(zhǎng)時(shí)間處于高溫之下也會(huì)造成歐姆接觸[1]和磷化物[1-2]的退化，退化會(huì)使得發(fā)光效率逐漸降低或者災(zāi)難性的故障[3]<可以理解為突然性的實(shí)效，“災(zāi)難性的故障”是可靠性中常用的，用來(lái)“恐嚇”老板的詞 ^_^>。
獲得LED 的晶片溫度通常需要測(cè)量一些相關(guān)的電/光參數(shù)，通過(guò)電/光參數(shù)和晶片溫度之間已知的關(guān)系推算出來(lái)。其中，正向電壓測(cè)試法最為常用[4]。紅外照相的方法能夠得到LED內(nèi)部晶片的表面溫度分布圖，便于了解表滿的溫度梯度。還有其他一些方法可參考相應(yīng)的文獻(xiàn)：如峰值波長(zhǎng)偏移法[5]，液晶涂敷法[6]，光譜分析法[7]等。
使用單一結(jié)溫來(lái)描述LED 內(nèi)部晶片的溫度是很常用的方式，但當(dāng)內(nèi)部晶片上的溫度梯度較大的時(shí)候，這種描述就顯得含糊不清。通常認(rèn)為結(jié)溫是內(nèi)部晶片的平均溫度，盡管這仍待考證；并且將結(jié)溫和設(shè)備的可靠性聯(lián)系在一起也是有爭(zhēng)議的[8]。而對(duì)于大功率的LED 設(shè)備，過(guò)熱引起的失效往往是局部現(xiàn)象，最好考量失效部位的溫度。
IC 封裝中常用的“熱阻”也常用于描述LED 的封裝，其中ΘJB 和ΘJC 要比ΘJA 使用的更為廣泛。由于高功率的LED 封裝旁邊存在著散熱塊；如果參照當(dāng)前的JESD51 系列標(biāo)準(zhǔn)[9]來(lái)描述LED，很難用相應(yīng)的條款明確環(huán)境溫度或是參考溫度。因此，現(xiàn)在急需對(duì)LED 熱阻的測(cè)量和報(bào)告進(jìn)行規(guī)范，這樣可以減少在LED 熱阻上認(rèn)識(shí)的矛盾，對(duì)LED 的生產(chǎn)者和用戶都有好處。

LED 晶片溫度的測(cè)量
LED 內(nèi)部晶片的正向電壓和溫度通過(guò)一個(gè)叫做K 因子的系數(shù)聯(lián)系在一起。即使是在同一生產(chǎn)批次中，K 因子的變化使得每個(gè)單獨(dú)的封裝都需要校準(zhǔn)。
測(cè)量正向電壓可以反映功率階躍函數(shù)，通過(guò)瞬態(tài)的方法可以生成一個(gè)構(gòu)造函數(shù)。當(dāng)把這個(gè)構(gòu)造函數(shù)與實(shí)際的封裝結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)就能夠從物理等角度洞察熱傳的路徑[4]<由于不是做 LED的，況且對(duì)電的認(rèn)識(shí)很淺，附原文供參考：Measuring the forward voltage response to a power step function, the transient method can generate the so-called structure functions. These structure functions, when combined with the actual device structure, can provide physical insights into the heat transfer path [4].>
紅外成像也可以用于測(cè)量LED 的內(nèi)部晶片的溫度，但僅有內(nèi)部晶片的表面溫度可以進(jìn)行精確的測(cè)量。對(duì)于裸露的LED 片，其內(nèi)部的溫度梯度比較小，表面溫度近似于結(jié)溫。對(duì)于采用磷化物封裝的LED 片，其外部磷化物引起的發(fā)光損耗會(huì)產(chǎn)生額外的熱耗散，使得測(cè)量的溫度要高于結(jié)溫。熱設(shè)計(jì) http://www.0532yewu.com
對(duì)于紅外成像的方式，精確的發(fā)射率是獲得高精度測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵。其中一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題就是LED 的內(nèi)部晶片材料對(duì)于紅外相機(jī)所接受的波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是透明的。絕大多數(shù)相關(guān)材料對(duì)于
“長(zhǎng)波”(8-10 μm)相機(jī)是不透明的。“中波”(2.5-5 μm)相機(jī)有著更好的分辨率，但很多陶瓷和半導(dǎo)體材料會(huì)投射或者反射這個(gè)波段的紅外線，因此更難應(yīng)用。“長(zhǎng)波”相機(jī)能夠提供的最小分辨率在20 μm 左右。
基于光譜測(cè)量的方法則通過(guò)測(cè)量LED 峰值波長(zhǎng)的漂移，根據(jù)已知的線性關(guān)系式來(lái)間接轉(zhuǎn)化為溫度的變化。但是，由溫度波動(dòng)引起的波長(zhǎng)變化在數(shù)量級(jí)上非常小(AlInGaP 材料的變化是0.05 - 0.10 nm/K，InGaN 材料的變化是0.04 – 0.05 nm/K)，通常實(shí)際中很難使用這種方法來(lái)測(cè)量溫度的變化。并且，LED 上相關(guān)峰值區(qū)間很大，難以精確的測(cè)量波長(zhǎng)的漂移并推算出準(zhǔn)確的溫度變化。
圖1. 對(duì)于高功率LED，內(nèi)部晶片溫度的最高值和平均值的比率為驅(qū)動(dòng)電流的函數(shù)。所有溫度使用紅外相機(jī)測(cè)量。
“結(jié)溫”的真實(shí)平均值
在高功率LED 中，溫度梯度是由幾方面共同造成的：歐姆接觸附近的電流堵塞，薄膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部晶片側(cè)面導(dǎo)熱能力較差以及連接結(jié)構(gòu)之間較差的熱傳能力。通過(guò)使用紅外相機(jī)測(cè)量一個(gè)表面有散熱片的單晶片高功率LED，得到了圖1。圖1 反映了LED 內(nèi)部晶片溫度的最高值和平均值的比率為驅(qū)動(dòng)電流的函數(shù)，從曲線可看出，驅(qū)動(dòng)電流越大，LED 內(nèi)部晶片上溫度梯度越大。通過(guò)對(duì)比紅外相機(jī)和正向電壓所測(cè)量同一種封裝LED 的溫度可得到下圖2。
圖2. 通過(guò)兩種方法測(cè)得四個(gè)樣品的ΘJC 值, 其中紅外攝像的方法得到的ΘJC 分別取晶片溫度的平均值和最大值進(jìn)行計(jì)算。
對(duì)于紅外攝像的方法，“結(jié)溫”分別取晶片溫度的平均值和最大值進(jìn)行計(jì)算。與通常的認(rèn)識(shí)不同，在此次試驗(yàn)中，正向電壓所得到的“結(jié)溫”更接近于晶片溫度最大值而非平均值。
通過(guò)對(duì)多種LED 封裝的更為廣泛的研究，從精度上來(lái)說(shuō)，“結(jié)溫”更接近于晶片溫度的平均值。目前的研究表明，上文實(shí)驗(yàn)結(jié)果所顯示的矛盾相信是與電流密度的分布有關(guān)。

LED 封裝的芯片級(jí)熱特性的描述
通過(guò)對(duì)JESD51 系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行部分修改，可以將其對(duì)IC 定義的熱阻擴(kuò)展到LED。例如，JESD51 所定義的測(cè)試電路板由于引腳不兼容，無(wú)法適用于LED 封裝。因此，適用于LED 測(cè)試的電路板需要規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化；此外，在LED 測(cè)試中，電路板的溫度和“殼溫”需要明確說(shuō)明；最后，對(duì)于非表面貼裝的LED 封裝，需要說(shuō)明其固定的方式，包括使用的導(dǎo)熱界面材料，固定的螺釘都需要規(guī)范化，從而使得測(cè)試的差異最小化。
多晶片的LED 封裝也給熱阻的定義帶來(lái)新的問(wèn)題：對(duì)于存在多個(gè)熱源的系統(tǒng)無(wú)法定義熱阻。幸運(yùn)的是，對(duì)于絕大多數(shù)多晶片的LED 封裝，內(nèi)部的晶片都是同一型號(hào)的，并且相互連接，發(fā)熱量也大致相同。此外，所有的晶片都放在一個(gè)承載器件或是導(dǎo)熱塊上。為了與典型的熱阻定義保持一致，在實(shí)踐中，通常測(cè)量在所有晶片上的壓降來(lái)構(gòu)造一個(gè)虛擬的結(jié)溫。這個(gè)虛擬的“結(jié)”將所有的晶片虛擬成一個(gè)，而不考慮晶片之間的溫度梯度。
對(duì)于密集的板載LED 陣列<猜的，不清楚densely populated LED array 怎么翻譯>，由于存在的強(qiáng)烈的相互熱影響。虛擬的結(jié)溫與“真實(shí)的”結(jié)溫（在晶片上測(cè)量得到的最高平均溫度）相差很大。有兩種方法可以解決這個(gè)問(wèn)題：1. 僅僅激活其中一個(gè)晶片并測(cè)量出結(jié)溫（需要單獨(dú)激活某個(gè)晶片的功能），然后用重疊的方式計(jì)算出最高的結(jié)溫[10]；2.使用其他的，非正向電壓的測(cè)量方法，如紅外照相。
對(duì)于不斷增長(zhǎng)的光能“損失”，在計(jì)算熱阻所需的總功率，如何或者是否需要修正也是LED熱特性描述中的大問(wèn)題。在多數(shù)嚴(yán)格的定義中，耗散的熱能等于總的電功率減去輸出的光功率。這聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但在實(shí)際操作中很難計(jì)算出耗散的熱量：首先，所需要測(cè)量的光參數(shù)會(huì)增加測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜程度；其次，光學(xué)校需要提供與其與電流和殼溫的函數(shù)，還有所有的熱阻值，這樣才能被使用的客戶所“重現(xiàn)”。
考慮到實(shí)際操作的復(fù)雜性，作者建議使用總的電功率作為耗散的熱量，而無(wú)須去除“損失”的光能，這樣就不會(huì)產(chǎn)生熱能和誤解并且便于使用的客戶應(yīng)用相同的能量<應(yīng)該指的是相同的電壓和電流>。然而，由于發(fā)光效率與結(jié)溫的關(guān)系很密切，其光功率中也“包含”著熱阻。或者可以說(shuō)，由于結(jié)溫變化所引起的部分熱阻變化并不是真實(shí)的，而且不會(huì)影響到系統(tǒng)中的傳熱。如果LED 需要在多種驅(qū)動(dòng)電流下工作，并且散熱片的溫度不同，則應(yīng)該對(duì)所有可能的工作情況進(jìn)行測(cè)試。

LED 封裝的系統(tǒng)級(jí)熱特性
廠商所提供的LED 封裝熱特性參數(shù)僅能在一定程度上直接應(yīng)用于系統(tǒng)級(jí)的分析，這是由于廠商測(cè)試所用的環(huán)境與客戶實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在著一定的差異。并且，很多情況下會(huì)同時(shí)使用多個(gè)單晶片或者多晶片的LED 封裝器件。因此，在LED 廠商和用戶之間通過(guò)“無(wú)邊界約束(BCI)簡(jiǎn)化熱模型(CTM)”來(lái)交流則更為理想[11]。
對(duì)于大功率、單晶片的LED 封裝，當(dāng)其中的熱傳遞被設(shè)計(jì)為一個(gè)低熱阻的熱傳路徑時(shí)，簡(jiǎn)化熱模型(CTM)可以被簡(jiǎn)化為一個(gè)熱阻。而對(duì)于多晶片的封裝，情況則較為復(fù)雜。簡(jiǎn)化熱模型(CTM)不但要描述單個(gè)晶片的傳熱，還要考慮到各個(gè)晶片之間的熱影響，這樣的話對(duì)于單個(gè)晶片來(lái)說(shuō)，無(wú)邊界約束(BCI)情況已經(jīng)無(wú)法適用[12]。

結(jié)論
大功率LED 屬于發(fā)熱密度最高的半導(dǎo)體器件。由于其晶片上的溫度梯度較大，如果使用常用的“結(jié)溫”來(lái)描述就難于發(fā)現(xiàn)其中真實(shí)的傳熱現(xiàn)象。當(dāng)LED 內(nèi)部晶片上溫度梯度較大的時(shí)候，紅外攝像的方法是很好的輔助手段。
隨著LED 技術(shù)的快速發(fā)展，急需相應(yīng)的熱規(guī)范。基于IC 器件的JESD51 系列標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的修改，也可以用于單晶片的LED 器件。對(duì)于有特定模式和封裝結(jié)構(gòu)的多晶片器件，如果能夠了解晶片之間的熱影響，也可以用修正后的熱阻概念來(lái)描述。當(dāng)計(jì)算熱阻的時(shí)候，如果將光功率減去來(lái)修正總功率，雖然從物理學(xué)的角度來(lái)看很有意義，但是在實(shí)際運(yùn)用中卻很難實(shí)現(xiàn)。使用包含光功率的總功率所計(jì)算出的熱阻，對(duì)于結(jié)溫的變化更為敏感。因此需要組合多種驅(qū)動(dòng)電流和散熱片進(jìn)行測(cè)試。

作者：
Li Zhang, Ph.D.
Product Research & Development
Philips Lumileds Lighting Company
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(408) 964-5244

Theo Treurniet, Ph. D.
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熱設(shè)計(jì)資料下載：  高功率_高亮度發(fā)光二極管的封裝熱特性參數(shù).pdf

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