电压法LED结温及热阻测试原理分析
LED结温热阻计算方法详解
LED结温热阻计算方法详解.Ta: 环境温度Rsa：铝基散热装置的热阻、散热器与环境间的热阻Ts: 散热装置的温度. Rms：铝基板到铝散热装置的热阻Tm: 铝基板的温度. Rcm：引脚到铝基板的热阻Tc: 引脚的温度. Rjc：PN结到引脚的热阻、结壳间的热阻Rja：PN结点到环境的热阻 Tj：晶体管的结温、芯片PN结最大能承受之温度( 100-130℃)P表示功耗 Rcs表示晶体管外壳与散热器间的热阻，L50: LED光源亮度降至50%的寿命L70: LED光源亮度降至70%的寿命结温计算的过程：1.热阻与温度、功耗之间的关系为： Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja，2.当功率晶体管的散热片足够大而且接触足够良好时，壳温Tc=Ta晶体管外壳与环境间的热阻Rca=Rcs+Rsa=0。
此时Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式Ta=Tc=Tj-P*Rjc。
厂家规格书一般会给出，最大允许功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等参数。
一般Pcm 是指在Tc=25℃或Ta=25℃时的最大允许功耗。
当使用温度大于25℃时，会有一个降额指标。
3.以ON公司的为例三级管2N5551举个实例：1)2N5551规格书中给出壳温Tc=25℃时的最大允许功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。
2)代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以从中推出最大允许结温Tj为150度。
一般芯片最大允许结温是确定的。
所以，2N5551的允许壳温与允许功耗之间的关系为：Tc=150-P*83.3。
3)比如，假设管子的功耗为1W，那么，允许的壳温Tc=150-1*83.3=66.7度。
4)注意，此管子Tc =25℃时的最大允许功耗是1.5W，如果壳温高于25℃,功率就要降额使用。
规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度）。
5)我们可以用公式来验证这个结论。
假设壳温为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25)。
电压法LED结温及热阻测试原理分析
电压法LED结温及热阻测试原理分析发布日期：2010-08-01 来源：关键字：近年来,由于功率型LED 光效提高和价格下降使LED 应用于照明领域数量迅猛增长,从各种景观照明、户外照明到普通家庭照明,应用日益广泛。
LED 应用于照明除了节能外,长寿命也是其十分重要的优势。
目前由于LED 热性能原因,LED 及其灯具不能达到理想的使用寿命;LED 在工作状态时的结温直接关系到其寿命和光效;热阻则直接影响LED 在同等使用条件下 LED 的结温;LED 灯具的导热系统设计是否合理也直接影响灯具的寿命。
因此功率型 LED 及其灯具的热性能测试 ,对于 LED 的生产和应用研发都有十分直接的意义。
以下将简述LED 及其灯具的主要热性能指标,电压温度系数K、结温和热阻的测试原理、测试设备、测试内容和测试方法,以供LED 研发、生产和应用企业参考。
一、电压法测量 LED 结温的原理LED 热性能的测试首先要测试 LED 的结温,即工作状态下 LED 的芯片的温度。
关于LED 芯片温度的测试,理论上有多种方法,如红外光谱法、波长分析法和电压法等等。
目前实际使用的是电压法。
1995 年 12 月电子工业联合会/电子工程设计发展联合会议发布的> 标准对于电压法测量半导体结温的原理、方法和要求等都作了详细规范。
电压法测量LED 结温的主要思想是：特定电流下 LED 的正向压降 Vf 与 LED 芯片的温度成线性关系,所以只要测试到两个以上温度点的Vf 值,就可以确定该 LED 电压与温度的关系斜率,即电压温度系数 K 值,单位是mV/°C 。
K 值可由公式K=ㄓVf/ㄓTj 求得。
K 值有了,就可以通过测量实时的 Vf 值,计算出芯片的温度(结温)Tj 。
为了减小电压测量带来的误差,> 标准规定测量系数 K 时,两个温度点温差应该大于等于50 度。
对于用电压法测量结温的仪器有几个基本的要求：A、电压法测量结温的基础是特定的测试电流下的 Vf 测量,而 LED 芯片由于温度变化带来的电压变化是毫伏级的,所以要求测试仪器对电压测量的稳定度必须足够高,连续测量的波动幅度应小于1mV 。
LED结温测试方法总结
LED 结温测试（参考：LED 结温测试方法研究）1. 红外热像法2. 光谱法：利用LED 结温升高时，LED 的主波长或λp 就会向长波长漂移，其正法线方向的亮度B0也会下降，主波长会漂移。
有实验数据表明当结温每升高10℃，则波长向长波漂移1nm.3. 管脚温度法4. 蓝白比法：利用芯片的蓝光发光与荧光粉发光随结温变化的不一致来确定结温。
定义W 为光谱中整个白光的功率，B 为蓝光部分的功率，那么比值R=W/B 应该是结温的函数。
5. K 系数法：初始电压是指LED 刚通电时测得的正向电压，初始结温是指刚通电时的结温，近似等于环境温度。
在恒定电流（20mA ）改变环境温度（35-100℃）测量的情况下，初始电压与初始结温符合很强的线性关系。
通过测量正向电压确定结温具体方法如下：（1） 测量温度系数Ka. 将LED 置于温度为T A 的恒温箱中足够时间至热平衡，此时T jA =T Ab. 用低电流（可以忽略其产生的热量对LED 的影响，如I f =0.1,1.0,5.0,10mA ）快速点测LED 的V fAc. 将LED 置于温度为T B (T B >T A 的恒温箱中足够时间至热平衡，此时T jB =T Bd. 重复步骤b ，测得V fBe. 计算KA B fA fB jA jB fAfB T T V V T T V V K --=--=（2） 测量在输入电功率加热状态下的变化a. 将LED 置于温度为T A 的恒温箱中，给LED 输入额定I F 使其产生自加热b. 维持恒定加热电流I F 足够时间至LED 工作热平衡，此时V F 达到稳定，记录I F ，V Fc. 迅速切换到测量电流源I f ，立即进行(l)之b 步骤，测量V f（3） 结温、热阻计算fA f f V V V -=∆K V V T fAf j -=6. 脉冲电流法。
LED结温测算方法
LED结温测算⽅法⽬录第⼀章电压法测量结温第⼀节电压法测算结温的理论依据第⼆节K系数的测量1. 测量K系数的原理2. 关于K系数的说明3. 测试电流⼤⼩对K系数的影响4. K系数测量⽅法5. 数据处理6. 关于器件⼚商提供K值的建议7. K系数测量误差问题第三节利⽤K系数测算结温第⼆章热阻法测算结温第⼀节热阻法测算结温的基本原理第⼆节热阻法测结温的问题1. 为什么要⽤热阻法测结温2. 热阻参考点的选择3. 器件传热状况的影响4. 温度的影响5. 热阻法测结温参考点的正确选择第三章其它测结温⽅法简介前⾔关于 PN 结温度的测量，以往在半导体器件应⽤端测算结温的⼤多是采⽤热阻法，但这种⽅法对LED 器件是有局限性的，并且以往很多情况下被错误地应⽤。
应⽤热阻法的错误之处，以及其局限性，本⼈已在⽂献【1】中有详细阐述。
本⼈认为应该摒弃热阻法。
现在出现了不少新的测结温的⽅法，但其中⼀些⽅法也许并不能很好地反映结温。
⽐如红外成像法，理论上讲这只是测量器件表⾯或芯⽚表⾯的温度，不可能测量到实际 PN 结处的温度。
光谱法则只是个别专业测试机构能够进⾏，仪器昂贵，不适于器件使⽤者⽇常⼯作。
实际上，⽆论从专业测量，还是业余测量，最简便易⾏、最准确的、最基础的，还是电压法测算结温。
热阻法其实是在电压法基础上衍⽣⽽来的。
由于现在测量显⽰精度达 1mV 的仪表很便宜，器件使⽤者完全没有必要采⽤热阻法来测算结温。
本⽂主要是介绍电压法测算结温。
也介绍了热阻法测算结温，并提出热阻法存在的问题。
最后简单介绍了⼀些其它测结温的⽅法。
本⽂介绍的电压法测算结温的⽅法，是从⼀般⼯程应⽤的⾓度来讲。
主要是为⼀般的器件⼚商和器件使⽤者提供⾃⼰测试的⽅法。
因此所述的⽅法中，使⽤的⼀些仪器不能与专业的仪器设备⽐较，但精度和准确性不⽤担⼼。
这⽅⾯只要你懂得了物理原理就明⽩了。
关键还是看具体的操作者对测试机构的设计和仪表的选择，以及操作中的精⼼程度。
LED的结温与原因分析
LED的结温与原因分析1、什么是LED的结温？LED的基本结构是一个半导体的P—N结。
实验指出，当电流流过LED元件时，P—N结的温度将上升，严格意义上说，就把P—N结区的温度定义为LED的结温。
通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。
2、.产生LED结温的原因有哪些？在LED工作时，可存在以下五种情况促使结温不同程度的上升：a、元件不良的电极结构，视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED元件的串联电阻。
当电流流过P—N结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。
b、由于P—N结不可能极端完美，元件的注人效率不会达到100％，也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷(空穴)外，N区也会向P区注人电荷(电子)，一般情况下，后一类的电荷注人不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉了。
即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。
c、实践证明，出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。
目前，先进的材料生长与元件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能，然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的极大部分光子(>90％)无法顺利地溢出介面，而在芯片与介质介面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。
d、显然，LED元件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。
散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。
由于环氧胶是低热导材料，因此P—N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层，PCB与热沉向下发散。
显然，相关材料的导热能力将直接影响元件的热散失效率。
一个普通型的LED，从P—N 结区到环境温度的总热阻在300到600℃／w之间，对于一个具有良好结构的功率型LED元件，其总热阻约为15到30℃／w。
LED测试原理(110422).
U
VF VFP
VFD=VFP—VF
®
Group
亮度和光强单位
➢ LOP（亮度）： 是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。
毫瓦、流明、坎德拉间的关系： ➢ 辐射功率RF
（Radiant Flux）单位是mw, 它表示一个光源单位时间里发出的光能 量。 ➢ 光通量（luminous flux） 单位是lm，指人眼所能感觉的辐射功率，它等于单位时间内某一波段 的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。 ➢ 坎德拉（光强度）： 是一光源在给定方向上的发光强度。指光源在指定方向的单位立体角 （圆）发出的光通量。
INT
பைடு நூலகம்WLP
C
D
AB
λ（波长）
®
Group
主波长与纯度
➢ WLD（主波长）：人 眼观测到的颜色的光 谱色。若已获得被测 LED器件的色度坐标 ，就可以将其与纯白 点（x0＝0.3333，y0 ＝0.3333）连线，直 线与光谱轨迹的交点 就是被测LED颜色的 主波长（D点即为主 波长）。
➢ Purity：颜色的纯度 ，越接近1说明颜色 越纯(d/D) 。
包括 4 道 VF, 2 道 VZ, 3道 LOP, 以及 3 道波長等。
®
Group
电学特性：Vf
VF-顺向电压
在给定的测试电流下得到
LED617测试范围：
0~8V±(0.25%±2count s)。
LED的V/I特性：
发光二极体的电压与电流的 关系，在正向电压正小于某 一值时，电流极小，不发光 ；当电压超过某一值后，正 向电流随电压迅速增加，发 光。
三种直流测试项目的测试点
®
Group
DVF介绍
LED结温测试
北京海基嘉盛科技有限公司 线性c-delta 函数 d(t) 更容易实现
a(t ) W t ht
得到阶跃响应函数 a(t) 意味着我们了解了整个系统。
电路分析理论 —— RC 网络模型 对于单一的 RC 网络，其时间相应可描述为：
化试验效果以及可靠性筛选等）。
7
i 1
n
a(t ) R( )1 exp( t / )d
0
如果知道时间常数谱 R( ) 的表达式，这个热学系统的热学模型也就清晰了。
3
北京海基嘉盛科技有限公司 结构函数的推导
T3Ster Master: Derivative
18 VIPER1-2 - Ch. 0 16
从原点到这条渐近线之间的x值就是结区到空气环境的热阻也就是稳态情况下的热如何用结构函数识别器件封装内部如固晶层的缺陷北京海基嘉盛科技有限公司达到热稳定状态时的热阻thja探测器件内部的缺陷包括固晶层树脂层的焊接工艺老化试验效果以及可靠性筛选等
北京海基嘉盛科技有限公司
T3Ster 测试原理
硬件实时采集 测量原理：根据先进的 JEDEC 静态测量法（JESD51-1 Static Method） 原理，改变器件的输入功率，使器件温度发生变化。在达到热平衡之前， T3Ster 以 1 s 的告诉采样率实时记录温度随着时间变化的瞬态响应曲线。
a(t ) R 1 exp(t / )
2
北京海基嘉盛科技有限公司
对于多个 RC 网络串联，其时间相应可描述为： a(t ) Ri 1 exp(t / i )
i 1
n
对于通常的热学系统，可以看做一个分布式的 RC 系统，其时间相应为：
大功率LED结温方法
大功率LED 结温方法GaN 基白光LED 结温测试方法1. 正向电压法(forward voltage method)原理：初始电压与初始结温符合很强的线性关系KV V T T t j 00-+= 其中T0是作为参考的环境温度,V0是在T0下的初始电压;Tj 和Vt 分别是稳定时的结温和正向电压。
系数K 可以通过测量两组不同的参考温度和电压得到K=(V1-V0) /(T1-T0),也可以通过测量多组参考温度和电压作线性拟合得到。
K 值测量测量时将LED 放置在控温烤箱中，施加小电流（10mA ），分别在不同的烤箱温度下（Ta1,Ta2）,每个温度阶段恒温30min （样品为1WLED 加散热片，如果未加散热片可另外考虑），使得结温与环境温度一致，测试过程中保持电流恒定。
测量LED 的正向电压（Vf1,Vf2）,这时可近似认为；K=(V1-V0) /(Ta2-Ta1)Rth 为热阻Rth=（Tj-Tb ）/PTb 为测试得到的基板底部的温度，P 为L E D 的耗散功率,Tb 用热电偶实时测量LED 基板底部的温度。
2. 管脚法(Pin method)原理：管脚温度法是利用LED 器件的热输运性质,通过测量管脚温度和芯片耗散的热功率,以及热阻系数来确定结温p j j p j R P T T -+=*其中Tp 是管脚温度,Tj 是结温;Pj 是LED 芯片耗散的热功率;R Θj-p 是从结到管脚的热阻系数,可以由厂家给出,或者由实验确定,本实验中结合电压法测量来确定热阻系数文献中提到热阻系数由电压法测得，而电压法又会存在误差，所以此方法误差会较大一些。
3. 蓝白法（non-contactmethod for determining junction temperatur ） 原理：利用白光LED 的发光光谱分布(SPD)来测量结温,最大的优点是不需要破坏器件的整体性,是一种非接触的结温测量方法。
蓝白比R 与结温都有较好的线性关系,可通过测量光谱算得R 值,然后用下面的换 算公式得到结温：rj K R R T T 00-+= 其中T0为参考结温,Tj 是要测量的结温;R0和R 分别是结温为T0和Tj 时的蓝白比;Kr 是比例系数,可以通过测量两组不同的参考结温和蓝白比得到Kr=(R0-R1) /(T0-T1),也可以通过测量多组已知结温情况下的蓝白比作线性拟合。
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电压法LED结温及热阻测试原理分析
发布日期：2010-08-01 来源：
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近年来,由于功率型LED 光效提高和价格下降使LED 应用于照明领域数量迅猛增长,从各种景观照明、户外照明到普通家庭照明,应用日益广泛。
LED 应用于照明除了节能外,长寿命也是其十分重要的优势。
目前由于LED 热性能原因,LED 及其灯具不能达到理想的使用寿命;LED 在工作状态时的结温直接关系到其寿命和光效;热阻则直接影响LED 在同等使用条件下 LED 的结温;LED 灯具的导热系统设计是否合理也直接影响灯具的寿命。
因此功率型 LED 及其灯具的热性能测试 ,对于 LED 的生产和应用研发都有十分直接的意义。
以下将简述LED 及其灯具的主要热性能指标,电压温度系数K、结温和热阻的测试原理、测试设备、测试内容和测试方法,以供LED 研发、生产和应用企业参考。
一、电压法测量 LED 结温的原理
LED 热性能的测试首先要测试 LED 的结温,即工作状态下 LED 的芯片的温度。
关于LED 芯片温度的测试,理论上有多种方法,如红外光谱法、波长分析法和电压法等等。
目前实际使用的是电压法。
1995 年 12 月电子工业联合会/电子工程设计发展联合会议发布的> 标准对于电压法测量半导体结温的原理、方法和要求等都作了详细规范。
电压法测量LED 结温的主要思想是：特定电流下 LED 的正向压降 Vf 与 LED 芯片的温度成线性关系,所以只要测试到两个以上温度点的Vf 值,就可以确定该 LED 电压与温度的关系斜率,即电压温度系数 K 值,单位是
mV/°C 。
K 值可由公式K=ㄓVf/ㄓTj 求得。
K 值有了,就可以通过测量实时的 Vf 值,计算出芯片的温度(结温)Tj 。
为了减小电压测量带来的误差,> 标准规定测量系数 K 时,两个温度点温差应该大于等于50 度。
对于用电压法测量结温的仪器有几个基本的要求：A、电压法测量结温的基础是特定的测试电流下的 Vf 测量,而 LED 芯片由于温度变化带来的电压变化是毫伏级的,所以要求测试仪器对电压测量的稳定度必须足够高,连续测量的波动幅度应小于
1mV 。
B、这个测试电流必须足够小,以免在测试过程中引起芯片温度变化;但是太小时会引起电压测量不稳定,有些LED 存在匝流体效应会影响 Vf 测试的稳定性,所以要求测试电流不小于 IV 曲线的拐点位置的电流值。
C、由于测试LED 结温是在工作条件下进行的,从工作电流(或加热电流)降到测试电流的过程必须足够快和稳定,Vf 测试的时间也必须足够短,才能保证测试过程不会引起结温下降。
在测量瞬态和稳态条件的结温的基础上, 可以根据下面公式算出LED 相应的热阻值：
Rja=ㄓT/P= 【Ta Tj 】/P
其中 Ta 是系统内参考点的温度(如基板温度),Tj 是结温,P 是使芯片发热的功率对于 LED 可以认为就是 LED 电功率减去发光功率。
由于 LED 的封装方式不同,安装使用情况不同,对热阻的定义有差别,测试时需要相应的支架和夹具配套。
SEMI 的标准中定义了两种热阻值,Rja 和 Rjb ,其中：Rja 是测量在自然对流或强制对流条件下从芯片接面到大气中的热传导, 情形如图一(a)所示。
图一
Rja 在标准规范的条件下测量,可用于比较不同封装散热的情况。
Rjb 是指在自然对流以及风洞环境下由芯片接面传到下方测试板部分热传时所产生的热阻,可用于由板温去预测结温。
见图二
图二
大功率 LED 封装都带基板,绝大部分热从基板通过散热板散发,测量 LED 热阻主要是指 LED 芯片到基板的热阻。
与 Rjc 的情况更加接近。
见图三
图三
二、几款测试仪器性能介绍
目前用于 LED 热性能测试的设备是参照EIA/JESD 51标准的要求进行设计的。
典型的设备有：Mic ReD 公司的T3Ster®;AnaTech 公司的Phase10 Thermal Analyzer; TEA 公司的different TTS systems 等。
由于 LED 热性测试的进口设备价格昂贵,使用复杂,目前国内只有很少的单位配备了进口设备。
目前国产设备和进口设备相比,综合技术指标方面有一定差距,尤其是分析软件方面差距较大。
但是由于 LED 芯片体积较大, 测试要求和集成电路的测试要求有很大不同,大部指标已经可以完全满足测试要求。
在价格方面国产设备有很大竞争优势,设计要求也以 LED 测试为主,使用方便,有利 LED 热性能测试的广泛使用。
下表是三家典型的进口设备和国产设备(杭州伏达光电技术有限公司的 JDS200型 LED 光色电热综合测试系统);以及台湾半导体光电产业协会关于《LED 热阻量测标准草案》要求的几项主要技术参数的对比(数据是由公开现有资源收集来的,大部分来自网站的现有资料)：。