LED的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性研究

圖6：不同偏壓電流下1W 紅光LED 的發(fā)光量隨殼溫（實(shí)線(xiàn)）以及結溫（虛線(xiàn)）的變化曲線(xiàn)

　　被測元件固定于一個(gè)熱電制冷片上，而熱電制冷片安裝在一個(gè)滿(mǎn)足CIE[13]規范和推薦設置的積分球中。在進(jìn)行光測量時(shí)，熱電制冷片可保證LED 的溫度穩定，而在進(jìn)行熱測試時(shí)，它就是LED 的散熱冷板。在熱和電的條件都不變的前提下對LED 或LED 組件進(jìn)行光測試，我們可以得到在特定情況下的LED 發(fā)光功率（如圖6 所示）。

　　當所有的光測量完成后，我們將被測LED 關(guān)掉，并用MicReD 公司的T3Ster 儀器對其進(jìn)行瞬態(tài)冷卻過(guò)程測量。在用T3Ster 進(jìn)行測量時(shí)，我們使用與測試二極管時(shí)相同的測試儀器設置。熱瞬態(tài)測試可以給出熱阻值，所以元器件的結溫可以通過(guò)熱電制冷片的溫度反推計算出來(lái)。

　　根據瞬態(tài)冷卻曲線(xiàn)，并同時(shí)考慮元件的有效光能輸出，我們可以計算出被測元件的熱阻特性曲線(xiàn)。而熱阻特性曲線(xiàn)又可以被轉換成結構函數曲線(xiàn)，從結構函數中即可用前面討論的方法得到LED 封裝的CTM 模型。

　　3. 板級電-熱仿真

　　3.1 用同步迭代法進(jìn)行電-熱封閉仿真的原理

　　我們用同步迭代法[14][15]進(jìn)行處在電路中的半導體元件的電-熱仿真。

　　對于安裝于基板上的有源半導體器件來(lái)說(shuō)（如大型芯片上的晶體管或者M(jìn)CPCB 上的LED），其熱簡(jiǎn)化模型的邊界條件獨立性十分重要，這就要求其基板與元件自身的接觸面以及基板與散熱環(huán)境之間的關(guān)系這兩個(gè)條件應該盡量接近實(shí)際應用情況?；谶吔鐥l件的基板模型可根據實(shí)際應用環(huán)境來(lái)確定。然后，包含元件和基板的熱阻網(wǎng)絡(luò )就可以和電路一起用同步迭代法進(jìn)行協(xié)同求解了。我們用半導體元件的電-熱模型把電、熱兩種網(wǎng)絡(luò )協(xié)同起來(lái)：每個(gè)元件都用一個(gè)熱節點(diǎn)來(lái)代替（如圖7）。

　　元器件的發(fā)熱量通過(guò)熱節點(diǎn)來(lái)驅動(dòng)整個(gè)熱網(wǎng)絡(luò )模型。元件的電參數與其溫度有關(guān)，可根據熱網(wǎng)絡(luò )模型的計算結果推算出來(lái)。利用電壓與電阻之間的關(guān)系以及溫差與熱阻之間的關(guān)系，電和熱的網(wǎng)絡(luò )可進(jìn)行聯(lián)立迭代求解，并可以給出一組封閉解[16][17]。

　　3.2 基板的簡(jiǎn)化熱模型

　　對于任何基于同步迭代法進(jìn)行電-熱協(xié)同仿真的仿真工具來(lái)說(shuō)，最核心的問(wèn)題都是怎樣生成并高效處理與與散熱邊界條件相關(guān)的基板的動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化熱模型。在處理這個(gè)問(wèn)題時(shí)，可以把熱網(wǎng)絡(luò )模型看成是一個(gè)有N 個(gè)端口的網(wǎng)絡(luò )，對于其中任何一個(gè)端口來(lái)說(shuō)，它都對應某個(gè)半導體元器件（如圖7）。這個(gè)N 端口模型通過(guò)N 個(gè)驅動(dòng)點(diǎn)的阻力特征來(lái)描述給定半導體元器件到環(huán)境的熱阻特征，同時(shí)，用Nx（N-1）傳熱熱阻來(lái)描述同一塊基板上不同元器件之間的耦合熱阻。

　　NID 方法用的是時(shí)間或者頻域響應來(lái)生成簡(jiǎn)化熱模型[8][18]。用一個(gè)快速的熱仿真工具[19]對響應曲線(xiàn)進(jìn)行計算，即可得到用NxN 表示的、涵蓋所有時(shí)間常數范圍的基板熱特性曲線(xiàn)。然后把時(shí)間常數轉換成RC，即可用RC 的組合得到一個(gè)階梯狀熱阻網(wǎng)絡(luò )（階梯數目的多少可根據需要的精度來(lái)確定），這個(gè)熱阻網(wǎng)絡(luò )即可和電網(wǎng)絡(luò )一起用高效的計算方法進(jìn)行仿真計算[20]。

圖7：安裝于一個(gè)用N-Port 方法建立的基板簡(jiǎn)化熱模型上的二極管的電-熱模型示意圖

　　3.3 板級擴展

　　熱仿真計算器會(huì )對回路中每一個(gè)熱源進(jìn)行熱時(shí)間常數的自動(dòng)計算。對于芯片級的IC 來(lái)說(shuō)這種計算方法非常適用。

　　當器件的電性能與溫度的相關(guān)性不大時(shí)我們可以使用“僅進(jìn)行熱仿真計算”模式。熱仿真計算器現在是可以直接使用半導體封裝的DCTM 模型的。通過(guò)對DCTM 及PWB 的詳細模型一起進(jìn)行仿真計算，我們就能得到元件以及基板的溫度[6]。

　　在進(jìn)行電-熱協(xié)同仿真時(shí)，通常不僅想了解溫度變化的情況，同時(shí)還想了解溫度對電波形的瞬態(tài)影響。我們近期對儀器的功能進(jìn)行了擴展，擴展后的儀器適用于用來(lái)生成固定于任何基板上的半導體元件的用于電-熱仿真的DCTM 模型[21]。對于基板的N 端口網(wǎng)絡(luò )模型來(lái)說(shuō)，可以用和芯片的網(wǎng)絡(luò )模型相同的方法來(lái)計算得到。在用DCTM 建立封裝自身的模型時(shí)，其N(xiāo) 端口網(wǎng)絡(luò )模型還應該同時(shí)考慮到管腳結構形式對模型的影響。

　　將DCTM 模型放到到元件管腳對應的基板位置以及元件自身電-熱模型的結對應的位置之間，然后即可用電-熱仿真工具進(jìn)行求解計算。

　　4. 不同結構LED 的模型

　　對于LED 來(lái)說(shuō)，其發(fā)熱功率應該等于總輸入功率減去有效發(fā)光功率，這個(gè)熱量才是應該附加給封裝簡(jiǎn)化熱模型的功率值：

heat el opt P = P − P

　　在我們前面的研究工作中提到，對于有些LED，它們有可能存在一個(gè)由串聯(lián)電阻產(chǎn)生的固定熱損耗[2]。因此，總發(fā)熱量應該等于結和串聯(lián)電阻發(fā)熱量之和：

heat D opt R P = P − P + P

　　其中D P 為總輸入電功率， R P 為串聯(lián)電阻的發(fā)熱量。這個(gè)參數的確定方法很簡(jiǎn)單：2.2 節中我們曾討論了用協(xié)同測量的方法確定opt P ，用同樣的電路連接方式也可以測出串聯(lián)電阻的發(fā)熱量值。

　　串聯(lián)電阻的位置可能跟結的位置非常接近，也可能離得非常遠，通過(guò)這個(gè)特征我們可以把LED 的熱模型分為熱電阻型和冷電阻型兩類(lèi)。它們的區別在于，對于熱電阻型來(lái)說(shuō)，串聯(lián)電阻產(chǎn)生的熱量會(huì )和結產(chǎn)生的熱量一起沿著(zhù)結-管腳的熱流路徑流動(dòng)，而對于冷電阻型來(lái)說(shuō)，熱則沿著(zhù)不同的路徑流動(dòng)。在建立LED 的電-熱仿真模型時(shí)，一定要注意到這個(gè)不同點(diǎn)。