LED的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性研究

1. 簡(jiǎn)介

　　眾所周知，LED的有效光輻射（發(fā)光度和/或輻射通量）嚴重受其結溫影響（如圖一所示，數據來(lái)源于Lumileds Luxeon DS25 的性能數據表）。

圖1：一組從綠光到藍光以及白光的LED 有效光輻射隨結溫的變化關(guān)系

　　單顆LED 封裝通常被稱(chēng)為一級LED，而多顆LED 芯片裝配在同一個(gè)金屬基板上的LED 組件通常被稱(chēng)為二級LED。當二級LED 對光的均勻性要求很高時(shí)，結溫對LED 發(fā)光效率的影響這個(gè)問(wèn)題將十分突出[1]。

　　文獻[2]中提到，可以利用一級LED 的電、熱、光協(xié)同模型來(lái)預測二級LED 的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性。前提是需要對LED 的散熱環(huán)境進(jìn)行準確建模。

　　本文第2 節中我將討論怎樣通過(guò)實(shí)測利用結構函數來(lái)獲取LED 封裝的熱模型，并將簡(jiǎn)單描述一下我們用來(lái)進(jìn)行測試的一種新型測試系統。第3 節中，首先我們回顧了電-熱仿真工具的原理，然后將此原理擴展應用到板級的熱仿真以幫助優(yōu)化封裝結構的簡(jiǎn)化熱模型。在文章的最后我們將介紹一個(gè)應用實(shí)例。

　　2. 建立LED 封裝的簡(jiǎn)化熱模型

　　關(guān)于半導體封裝元器件的簡(jiǎn)化熱模型（CTMs）的建立，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了超過(guò)10 年的討論?，F在，對于建立封裝元器件特別是IC 封裝的獨立于邊界條件的穩態(tài)簡(jiǎn)化熱模型（CTMs），大家普遍認同DELPHI 近似處理方法[3][4][5]。為了研究元器件的瞬態(tài)散熱性能，我們需要對CTM 進(jìn)行擴展，擴展后的模型稱(chēng)之為瞬態(tài)簡(jiǎn)化熱模型（DCTMs）。歐盟通過(guò)PROFIT 項目[7]制定了建立元器件DCTM 的方法，并且同時(shí)擴展了熱仿真工具[6]的功能以便能夠對DCTM 模型進(jìn)行仿真計算。

　　當CTM 應用在特定的邊界條件下或者封裝元器件自身僅有一條結-環(huán)境的熱流路徑，則可以用NID（熱阻網(wǎng)絡(luò )自定義）方法[8]來(lái)對元件進(jìn)行建模。

　　2.1 直接利用測試結果建立LED 封裝的模型

　　仔細研究一個(gè)典型的LED 封裝及其典型的應用環(huán)境（圖2），我們會(huì )發(fā)現，LED 芯片產(chǎn)生的熱量基本上是通過(guò)一條單一的熱流路徑：芯片-散熱塊-MCPCB 基板，流出LED 封裝的。

圖2：二級LED 中的結-環(huán)境熱流路徑：LED 封裝用膠固定于MCPCB 上

　　對于穩態(tài)建模來(lái)說(shuō)，封裝的散熱特性可以通過(guò)thJC R ，即結-殼熱阻來(lái)準確描述，結-殼熱阻指的是從LED 芯片到其自身封裝散熱塊表面之間的熱阻。對于一級LED 來(lái)說(shuō)，此熱阻值可用熱瞬態(tài)測試儀器按照雙接觸面法[9]進(jìn)行測試來(lái)得到。

　　圖3 和圖4 所示的是thJC R 的另外一種測試方法。這種方法用兩步測試完成了對一個(gè)二級LED 組件的測試工作，這兩步的測試條件分別為：

　　第一種條件——直接把MCPCB 安裝到冷板上

　　第二種條件——在MCPCB 與冷板之間添加一層很薄的塑料薄層

圖3：積分結構函數：安裝于MCPCB 的1W 紅光LED 及其封裝的4 階熱模型

圖4：微分結構函數：安裝于MCPCB 的1W 紅光LED（點(diǎn)擊圖片查看原圖）

　　由于銅和膠的導熱系數不一樣，從結構函數曲線(xiàn)上即可方便的讀出thJC R 的值。同時(shí)，由于在第二種條件下加入的薄層材料會(huì )讓測試曲線(xiàn)發(fā)生分離，通過(guò)分離點(diǎn)即可很方便的分辨出結-板之間的熱阻值。如果需要建立LED 封裝的瞬態(tài)熱模型，則需要用一條合適的熱阻特性曲線(xiàn)來(lái)代替固定的thJC R 熱阻值來(lái)描述結-殼熱流路徑的散熱特性。從熱瞬態(tài)測試得出的結構函數可幫助實(shí)現瞬態(tài)熱模型的建立。積分形式的結構函數即是一個(gè)完整的熱阻熱容網(wǎng)絡(luò )圖，這些熱阻熱容值準確的描述了結-環(huán)境熱流路徑的散熱特性。對積分結構函數進(jìn)行階梯近似即可得到熱流路徑上不同物理結構的折算熱阻和熱容值。（在文獻[8]中提到的基于NID 的模型生成方法，是在時(shí)間常數上進(jìn)行的離散化。）

　　這種方法已經(jīng)被成功用于生成堆疊芯片的模型生成[10]。這種封裝中通常會(huì )有多條熱流路徑，當附加在封裝表面的邊界條件不同時(shí)，則不能把生成的階梯型RC 模型認為是獨立于邊界條件的模型。

　　對于LED 來(lái)說(shuō)，封裝內部?jì)H有一條熱流路徑，則階梯型RC 模型可以作為描述LED 封裝熱性能的一種非常合適的模型。

　　下圖所示為L(cháng)ED 在不同的實(shí)際散熱環(huán)境下測得的結構函數圖形，從圖中可以看出，LED 的熱模型是獨立于邊界條件的，改變測試環(huán)境（在我們的例子中：插入了塑料薄層材料）并不會(huì )影響描述封裝內部詳細散熱性能的那部分結構函數。文獻[11]中同樣提到，改變一級LED 的熱沉的表面接觸特性并不會(huì )對熱流路徑上位于其之前的部分產(chǎn)生影響。因此，圖3 所示的、在熱流進(jìn)入MCPCB 之前的一段熱流路徑的階梯狀模型，是適合于當我們做類(lèi)似于圖2 所示的二級LED 或者類(lèi)似于圖8 所示的LED 組件的板級熱分析時(shí)，用來(lái)模擬單個(gè)LED 封裝的散熱熱性的。文獻[11]中還提到了封裝級LED 的更詳細的建模方法。

　　2.2 LED 的熱-光協(xié)同測試

　　半導體器件的熱瞬態(tài)測試基于的是電學(xué)的測試方法[12]。常規元器件的熱阻（或者瞬態(tài)時(shí)的熱阻特性曲線(xiàn)）可以用測得的元器件溫升和輸入的電能來(lái)計算得到。但是對于大功率LED 來(lái)說(shuō)，這個(gè)方法并不適合，這是因為輸入總電能的10~40%會(huì )轉變?yōu)橛行У目梢?jiàn)光輸出。也正是因為這樣，我們在利用直接測試的方法去建立LED 封裝的熱模型時(shí)都需要把有效的可見(jiàn)光輸出的能量去掉。為此，我們設計了一套如圖5 所示的測試系統，用它可以實(shí)現LED 封裝的熱-光協(xié)同測試。

圖5：連接到T3Ster 熱瞬態(tài)測試儀的一套光測量系統（LED 安裝于一個(gè)熱電制冷片上）