LED性能及熱管理方法研究
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在這篇文章中，我們將討論怎樣通過(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。此外，我們還將回顧電--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。
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（CTM）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，大家普遍認同DELPHI近似處理方法。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（DCTM）。歐盟通過(guò)PROFIT項目制定了建立元器件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）方法來(lái)對元件進(jìn)行建模。
直接利用測試結果建立LED封裝模型仔細研究一個(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。
對于穩態(tài)建模來(lái)說(shuō)，封裝的散熱特性可以通過(guò)，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進(jìn)行測試來(lái)得到。thJCR
圖3和圖4所示的是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：thJCR
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
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。thJCR
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。thJCR
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。這里提到的基于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。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。
從LED在不同的實(shí)際散熱環(huán)境下測得的結構函數圖形中可以看出，LED的熱模型是獨立于邊界條件的，改變測試環(huán)境（在我們的例子中是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。有文獻指出，改變一級LED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。因此如圖3所示，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。
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。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。
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。
板級電-熱仿真
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。
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。用一個(gè)快速的熱仿真工具對響應曲線(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。
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。
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。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。
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：
optelheatPPP?=
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。因此，總發(fā)熱量應該等于結和串聯(lián)電阻發(fā)熱量之和：
RoptDheatPPPP+?=
其中為總輸入電功率，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：前面我們曾討論了用協(xié)同測量的方法確定，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。DPRPoptP
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)。
應用實(shí)例
我們研究了如圖8所示的RGBLED模塊。模塊中的三個(gè)LED采用的都是標準封裝。甚至在此例中綠光LED和藍光LED的結的結構都是非常相似的。
測試我們不但進(jìn)行了單獨的熱瞬態(tài)測試還進(jìn)行了熱-光協(xié)同測試。熱瞬態(tài)測試在JEDEC標準靜態(tài)測試箱和附加冷板兩種不同的條件下進(jìn)行。圖9顯示的是在冷板（Gdriv_CP）上和在靜態(tài)測試箱（Gdriv）中測得的綠光LED在驅動(dòng)點(diǎn)附近的熱阻特征。在圖中可以看到在什么溫度下以及在熱阻值是多少時(shí)，熱流路徑產(chǎn)生分離。這個(gè)測試結果驗證了我們前面的論述：在LED封裝內部可以假設熱沿著(zhù)唯一的通道從結流向其熱沉。圖中同樣可以讀出在靜止空氣中的對流熱阻。在使用冷板時(shí)，對流的作用可以忽略不計。GtoR和GtoB是用綠光LED做加熱驅動(dòng)時(shí)測量的紅光LED和藍光LED特性曲線(xiàn)。
我們還在積分球中進(jìn)行了LED發(fā)光效率的測試。發(fā)現綠光LED的發(fā)光效率會(huì )隨著(zhù)冷板溫度的升高而下降，這與圖6顯示的情況類(lèi)似。
LED封裝的DCTM模型可通過(guò)前面提到的流程來(lái)生成，此模型可用于LED的板級熱仿真分析。對于用于電-熱仿真工具的LED模型，模型中的電模型部分用的是標準化的LED電模型，其參數應根據實(shí)際LED元件的特性參數來(lái)確定。
仿真我們建立了這個(gè)包含三個(gè)LED封裝的LED模塊的熱模型：用3*3mm的方塊來(lái)代替實(shí)際器件圓型的管腳，在笛卡爾坐標系中即可建立LED模塊的近似幾何模型。如下圖所示的考爾型RC網(wǎng)絡(luò )模型即是我們用來(lái)描述LED封裝的DCTM模型。
把三個(gè)LED封裝安裝在面積為30*30mm^2、厚度為2.5mm的鋁基板上構成我們研究的LED模塊。通過(guò)把模塊安裝到冷板上進(jìn)行測試，我們已經(jīng)得到了模塊的熱模型。為了驗證模型的準確性，我們在靜態(tài)測試箱這個(gè)環(huán)境下對LED模塊進(jìn)行了仿真分析，而前面我們也已經(jīng)完成了靜態(tài)測試箱環(huán)境下的測試工作。通過(guò)仿真與實(shí)測的對比即可驗證模型的準確性。
從圖10中我們可以看出仿真得出的熱阻特性曲線(xiàn)和圖9中所示的實(shí)測曲線(xiàn)非常相近。仿真同樣也準確預測了綠光LED與其他兩顆LED之間的熱延遲現象：藍光和紅光LED的結溫在1s以后才開(kāi)始升高。從圖11中表征驅動(dòng)點(diǎn)的熱阻特性的時(shí)間常數來(lái)看，測試結果和仿真結果也是高度吻合的。
從圖9同時(shí)可以看出，表示封裝內部各組分的時(shí)間常數應該位于10s以?xún)取?0s以外的時(shí)間常數表示的是LED封裝外的散熱環(huán)境（靜態(tài)測試箱中的MCPCB）。
小結
本文討論了不同結構下LED以及LED組件的測試和仿真技術(shù)。在測試中，我們成功的應用了一種熱-光協(xié)同測試方法，用這種方法可以分辨出在LED工作時(shí)真正起到加熱LED結的熱量的大小。同樣的測試設置，還可用來(lái)測LED的發(fā)光效率以及它的一些基本電學(xué)參數，這是因為這些參數都是其結溫的函數。同時(shí)，我們介紹了一種利用熱瞬態(tài)測試結果直接生成LED的CTM簡(jiǎn)化熱模型的方法。文中成功的把芯片級的電-熱協(xié)同仿真方法推廣到了板級仿真。在進(jìn)行板級仿真時(shí)，成功的應用了LED封裝的CTM模型。
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