LED结温与热阻测量方法的研究
LED结温与热阻测量方法的研究
发光二极管(LED)因其环保、寿命长和高的能量转换效率而广泛应用于照明、LCD背光、显示、紫外固化、消毒杀菌等方面。
LED特别是大功率LED存在严重的热问题。
热量的累积将导致LED结温上升,使得LED器件出现发光偏色、内部量子效率和发光效率下降、寿命缩短等一系列可靠性问题。
LED结温测量数据的精准性对热阻的计算、热界面材料热性能的评估等LED热特性的分析至关重要。
LED结温的测量通常是采用正向电压法,测量过程中,需要将电流从较大的
工作电流切换到很小的测试电流,电流切换导致测量延迟问题,降低了LED结温和热阻分析的准确性。
针对上述常规LED结温测量所存在的问题,我们在之前的相关研究工作中提出了一种包含传感单元的LED结构。
本论文在基于集成传感单元的LED结温测量基础上,进一步研究了测量过程中影响其数据精准性的两个问题,即开始降温瞬间表观温度异常上升和连续性重复测量过程中唯有第一次测量与后续测量的数据存在偏差的问题,创新性地提出了迅速拉低偏压法。
该方法较好地缓解了上述两个问题,提高了LED结温测量的精确度。
此外,本文从光生载流子和材料缺陷能级的角度,对这两个导致测量不准确的问题进行了理论分析和解释。
本论文主要的研究内容和结论总结如下:1.发现基于集成传感单元结构的LED结温测量实验依然存在两个问题:测量初始期间存在表观温度异常上升现象和连续性重复测量间存在偏差。
2.创新性地提出了迅速拉低偏压法,应用于集成传感单元结构的LED结温测量实验中,较好地缓解上述两个问题对实验结果的影响。
3.通过LabVIEW编程对KeySight B2902A数字源表进行控制,将迅速拉低偏压法应用于常规LED的结温测量,实现了结温的高精准测量。
4.对上述两个导致测量不准确的问题所包含的物理过程进行了理论分析与初步的计算验证:LED热阻测量实验中的点亮阶段,激发并累积了大量的光生载
流子,光照停止的瞬间,累积的光生载流子并不会瞬间地消失。
其中一大部分的光生载流子将会快速地顺着势垒漂移,导致了表观温度的异常上升;一部分光生载流子会被缺陷能级所俘获,使得连续性重复测量中第一次测量与后续测量的数据存在偏差。
每次开始测量前迅速拉低偏压,一方面加速了光生载流子顺着势垒漂移的过程,另一方面,将缺陷能级上占据的电子数进行了重置。
《大功率LED结温与热阻测量研究》
《大功率LED结温与热阻测量研究》一、引言随着LED技术的不断发展，大功率LED已成为现代照明领域的重要应用之一。
然而，由于大功率LED在工作过程中会产生大量的热量，其结温与热阻的测量成为了影响其性能和寿命的关键因素。
因此，本文旨在研究大功率LED结温与热阻的测量方法，为LED的优化设计和应用提供理论依据。
二、大功率LED结温与热阻的基本概念结温是指LED芯片内部PN结的温度。
在大功率LED的工作过程中，由于电能的转换和光能的辐射，会产生大量的热量，使得LED结温升高。
而热阻则是描述LED器件在单位时间内单位体积所产生热量对结温上升的阻碍能力。
因此，了解大功率LED 的结温与热阻，对于提高其性能和延长其寿命具有重要意义。
三、结温与热阻的测量方法（一）结温的测量方法1. 光学法：通过测量LED的光参数，如光通量、色温等，间接推算出结温。
该方法简单易行，但精度较低。
2. 电学法：通过测量LED的电学参数，如正向电压、反向电流等，结合LED的电热转换关系，计算出结温。
该方法精度较高，但需要一定的专业知识和设备。
3. 热像仪法：利用红外热像仪直接测量LED表面的温度分布，从而推算出结温。
该方法具有较高的测量精度和空间分辨率。
（二）热阻的测量方法1. 稳态法：通过在特定条件下使LED达到稳态工作状态，测量其结温和环境温度，计算热阻。
该方法简单易行，但需要较长时间达到稳态。
2. 瞬态法：通过在较短的时间内对LED施加一定功率的电脉冲，测量其温度变化，从而计算热阻。
该方法测量时间短，但需要较高的技术水平和设备精度。
四、实验设计与实施（一）实验材料与设备实验所需材料包括大功率LED器件、热电偶、温度传感器、数据采集器等。
实验设备包括恒流源、加热装置、红外热像仪等。
（二）实验步骤1. 将大功率LED器件固定在加热装置上，并连接恒流源和温度传感器。
2. 逐渐增加LED的工作电流，同时记录其工作状态下的电压、电流等电学参数以及通过红外热像仪测得的表面温度数据。
功率型LED结温和热阻在不同电流下性质研究
功率型LED结温和热阻在不同电流下性质研究引言全球照明协会表示在不远的将来，大功率发光二极管(Powerlight- emittingdiodes)将在普通照明领域起到至关重要的作用。
自1994 年以来，大功率LED 得到迅猛发展，已经在诸多领域(如路灯、汽车尾灯、LCD 背光源等)取代了传统光源。
近年来，LED 技术的发展更是日新月异，其光效的提升和器件成本的下降服从类似于摩尔定律的海茨(Haitz)定律，即LED 价格每10 年降低为原来的1/10，性能则提高20 倍。
国际上LED 技术正在向大功率、高亮度、高效率、低成本方向发展。
功率LED 的光学特性和电学特性强烈依赖于结温。
随着LED 功率的增大，过高的结温会影响LED 的寿命和可靠性，散热问题变得日益严峻。
因此，了解功率LED 结温和热阻的变化特性就变得尤为重要。
文中通过正向电压法和红外热像仪法，对功率LED 的结温和热阻随电流的变化特性进行了研究。
1、功率LED 结温测量方法按标准，热阻的一般定义是：在热平衡的条件下，两规定点(或区域)温度差与产生这两点温差的耗散功率之比(单位°C/W 或K/W)。
热阻的大小直接影响LED 的寿命、出光率、发光强度等。
对于LED，由于热源在pn 结处，其最高温度通常指pn 结的温度，即结温Tj，它也是影响LED 可靠性的重要参数。
目前比较成熟的结温测量方法有红外热像仪法和正向电压法(又称标准电学法)。
红外热像仪法通过测量器件工作时芯片表面的红外辐射给出芯片表面的二维温度分布，以此来表征结温及其分布，这种方法只能测量未封装的器件，对成品器件则需要开封才能测量。
正向电压法是一种非破坏性的芯片温度测量方法，与红外热像法相比正向电压法具有灵敏度高、测量迅速、试验成本低廉等。
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。
准确测量大功率LED热阻的新方法
关键词: 热阻; 结温; 大功率 L ED; 发光二极管 中图分类号: T N312. 8 文献标识码: A 文章编号: 1001- 5868( 2009) 01- 0043- 04
Thermal Resistance Evaluation of High Power LED
ZH O U Chang- bo1 , Q IA N K e- yuan1 , L U O Yi1, 2
2 结果与讨论
应用上述方法, 本论文对两种大功率 L ED 的热 阻进行了测试, 并对结果进行了讨论。 2. 1 国产铝基板封装大功率 LED
对一个国产的铝基板封装 的大功率白光 LED 进行了热阻测试。
首先进行定标: L ED 正向电压与结温关系定标 结果如图 4。
1. 2 测量过程 测量装置如图 1 所示, 测量步骤如下: ( 1) 分别在 30 e , 40 e , 50 e , 60 e 温度下以 1
Rs-aCs m R-j s Cj 。
因此式( 4) 可以简化为
Tj =
( T j0 -
T ) e + s0
-
R-j
t s
Cj
( T s0 -
T ) e a
-
R
s-
t a
Cs
+
Ta
( 5)
led热阻实验报告
led热阻实验报告
LED结温及热阻的测量：
LED的PN结结温是影响LED光通量和寿命的主要因素，本文用电压法对直插LED，食人鱼LED和大功率LED的结温和热阻进行了实验研究。
在测量LED结温的同时，研究它的光谱变化，色光LED 峰值波长的偏移与其结温存在线性关系，白光LED的总能量和蓝光能量比率(W/B)的变化与结温也存在线性的关系。
因此，采用非接触式可间接测取LED的结温。
测量原理：
LED的结温是影响发光二极管各项性能指标的一个重要因素，测量LED结温的方法可用通过测量在不同环境温度下LED的正向电压的大小来得到。
实验原理被测LED置于积分球内，积分球放在恒温箱的中间，积分球内的光经石英光纤导入SSP3112快速光谱分析仪，可以快速测取LED的峰值波长或W/B比率。
将热电偶与LED管脚紧密接触，用测温仪读取不同加热电流和不回环境温度下的管脚温度。
恒温箱的温度范围为0℃-150℃，精度1℃。
PC机通过高速开关控制对LED的加热电流(IF)和参考电流(IFR)，并测量IF和IFR下的VF 和VFR。
热是从温度高处向温度低处散热。
大功率LED主要的散热路径是;管芯一散热垫一印制板敷铜层→印制板→环境空气。
若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA散热垫底部的温度为Tc(TJ>Tc>TA。
在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。
若管芯传导到散热垫底面的热阻为RIC(LED的热阻)、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCBPCB传导到环境空气的热阻为RBA，则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热RJA与各热阻关系为:RJARJC+RCB+RBA各热阻的单位是℃/W。
电压法LED结温测量原理及热阻测试
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=?Vf/?Tj 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结温热阻测试方法(201103)
• 其中，显微拉曼光谱、光致荧光法与 电致荧光法因其测ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ精度较低件10℃， 因而较不常被使用：红外热像法和液 晶显示法测试时要求芯片上方无封装 材料，因此，在使用时会受到一定限 制。唯独电学法因具有测量方便且测 量精度远高于其它测量方法，因此成 为最常被广泛使用的测量方法。
电压法测量LED 结温的原理
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。
图三
• 为了减小电压测量带来的误差，<EIA/JESD51- 标准规定测量系 1> 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。
功率LED结温和热阻在不同电流下性质研究
光电子学功率LED 结温和热阻在不同电流下性质研究毛德丰 郭伟玲 高 国 沈光地(北京工业大学,光电子技术省部共建教育部重点实验室,北京,100124)2009-01-19收稿,2009-03-16收改稿摘要:通过对不同驱动电流下各种颜色L ED 结温和热阻测量,发现各种颜色L ED 的热阻值均随驱动电流的增加而变大,其中基于InG aN 材料的蓝光和白光L ED 工作在小于额定电流下时,热阻上升迅速;驱动电流大于额定电流时,热阻上升速率变缓。
其他颜色L ED 热阻随驱动电流变化速率基本不变。
结温也随驱动电流的增加而变大。
相同驱动电流下,基于AlG aInP 材料的1W 红色、橙色L ED 的结温要低于基于InG aN 材料的蓝色、绿色、白色L ED 的结温。
分别用正向电压法和红外热像仪法测量了实验室自制的1mm ×1mm 蓝光芯片结温,比较了两种方法的优缺点。
结果表明,电学法测量简单快捷,测量结果可以满足要求。
关键词:结温;热阻;驱动电流;功率发光二极管中图分类号:T N 312+.8 文献标识码:A 文章编号:1000-3819(2010)02-0308-05Research on the Thermal Resistance and Junction Temperature of High -power LEDsM AO Defeng GUO Weiling GAO Guo SH EN Guangdi(K ey L abor atory of Op to -electr onics T echnology ,M inistry of Education ,Beij ing U niver sityof T echnology ,Beij ing ,100124,CH N )Abstract :In this paper ,the junction temperature and therm al resistance of different color po wer LEDs w ere measured at different drive current by forw ard -v oltage metho d .T he color s include red,orange,green,blue and w hite.The results show that the junction temper ature and therm al resistance of different color LEDs increase as the driving current rising.The ther mal re-sistance o f blue and w hite LED based on InGaN mater ials rise quickly at the low driving cur rent ,after the current is mo re than the oper ation current,the thermal resistances increase a little bit slo w ly;and those of the other colo r LED increase almost the same speed.When the dr iv ing cur-rent is the sam e for the same pow er LED ,the higher the therm al conductivity o f LED heat sink materials,the low er the LED junction tem peratur paring w ith the forw ard-voltage metho d,the infrared thermal im ag ing metho d is used to measure the junctio n temperature of 1W blue LED .T he results show the datum o f the tw o methods agrees with each o ther .Key words :junction temperature ;thermal resistance ;drive current ;power LEDEEACC :4260D第30卷 第2期2010年6月固体电子学研究与进展RESEARCH &PROGRESS OF SSEVo l.30,N o.2Jun.,2010联系作者:E-mail:guow eiling@基金项目:国家863计划资助项目(2009AA 03A1A3,2008AA03A192);国家科技重大专项资助项目(2008ZX10001-014)引 言全球照明协会表示在不远的将来,大功率发光二极管(Pow er lig ht-emitting diodes)将在普通照明领域起到至关重要的作用。
电压法LED结温及热阻测试原理
电压法LED结温及热阻测试原理近年来,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模块的结温及热阻测量
LED模块的结温及热阻测量韩冰发光二极管（LED）由于其亮度高、功耗低、寿命长、可靠性高、易驱动、节能、环保等特点，已被广泛应用于交通、广告和仪器仪表的显示中，现已在特殊照明中获得应用，并将成为普通照明中的主要光源。
目前世界上生产和使用LED 呈现急速上升的趋势，但是LED 存在发热现象，随着LED的工作时间和工作电流的增加，其发光强度和光通量会下降，寿命降低，对白光还会导致激发效率的下降，这主要是由于LED结温升高导致的。
热是从温度高处向温度低处散热。
LED主要的散热路径是：LED芯片→基座→铝基板→散热板→环境空气。
若LED的结温为T J，散热板底部的温度为T c（这里我只讨论LED从芯片到散热板底部之间的热阻关系），所以可以把热阻关系公式写成：RJC =（TJ－TC）/（PD-PI） 热阻的单位是℃/W。
公式里的P I代表输出的光功率，用LED模块的总功率减掉光输出的部分功率，剩余部分就是发热功率，这样计算可以更准确的反映基板、散热板材料本身的热阻特性。
可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。
LED热阻的测量是跟LED的结温测量紧密相关的，如果无法准确测量LED的结温，也就没办法真正准确测量到LED的热阻。
首先我介绍一下，第一个也是最关键的步骤---结温的测量，因为LED光源与其他传统光源差别很大，LED结温的高低直接影响了LED的特性，所以准确测量LED的结温很重要。
但是在测量LED结温的时候不能破坏它模块的结构，只能通过间接方法测量。
现在国际上公认能够准确得到LED结温的方法就是利用LED的结温与它的PN结压降有直接线性关系，利用这一线性关系曲线，通过直接测量LED的压降从而间接的得到LED的结温。
图1图1是我公司自己研制的一套测量LED结温与压降相关曲线的设备。
我们利用硅油不导电且导热性能优良的特点，在油缸中装入硅油，把被测的LED模块用四端法接入电路后浸没在硅油内。