“结温”的真实平均值
在高功率LED中,温度梯度是由几方面共同造成的:欧姆接触附近的电流堵塞,薄膜结构的内部晶片侧面导热能力较差以及连接结构之间较差的热传能力。通过使用红外相机测量一个表面有散热片的单晶片高功率LED,得到了图1。图1反映了LED内部晶片温度的最高值和平均值的比率为驱动电流的函数,从曲线可看出,驱动电流越大,LED内部晶片上温度梯度越大。通过对比红外相机和正向电压所测量同一种封装LED的温度可得到下图2。
图2. 通过两种方法测得四个样品的ΘJC值, 其中红外摄像的方法得到的ΘJC分别取晶片温度的平均值和最大值进行计算。
对于红外摄像的方法,“结温”分别取晶片温度的平均值和最大值进行计算。与通常的认识不同,在此次试验中,正向电压所得到的“结温”更接近于晶片温度最大值而非平均值。通过对多种LED封装的更为广泛的研究,从精度上来说,“结温”更接近于晶片温度的平均值。目前的研究表明,上文实验结果所显示的矛盾相信是与电流密度的分布有关。
LED封装的芯片级热特性的描述
通过对JESD51系列标准进行部分修改,可以将其对IC定义的热阻扩展到LED。例如,JESD51所定义的测试电路板由于引脚不兼容,无法适用于LED封装。因此,适用于LED测试的电路板需要规范化和标准化;此外,在LED测试中,电路板的温度和“壳温”需要明确说明;最后,对于非表面贴装的LED封装,需要说明其固定的方式,包括使用的导热界面材料,固定的螺钉都需要规范化,从而使得测试的差异最小化。
多晶片的LED封装也给热阻的定义带来新的问题:对于存在多个热源的系统无法定义热阻。幸运的是,对于绝大多数多晶片的LED封装,内部的晶片都是同一型号的,并且相互连接,发热量也大致相同。此外,所有的晶片都放在一个承载器件或是导热块上。为了与典型的热阻定义保持一致,在实践中,通常测量在所有晶片上的压降来构造一个虚拟的结温。这个虚拟的“结”将所有的晶片虚拟成一个,而不考虑晶片之间的温度梯度。
对于密集的板载LED阵列<猜的,不清楚densely populated LED array 怎么翻译>,由于存在的强烈的相互热影响。虚拟的结温与“真实的”结温(在晶片上测量得到的最高平均温度)相差很大。有两种方法可以解决这个问题:1. 仅仅激活其中一个晶片并测量出结温(需要单独激活某个晶片的功能),然后用重叠的方式计算出最高的结温[10];2.使用其他的,非正向电压的测量方法,如红外照相。
对于不断增长的光能“损失”,在计算热阻所需的总功率,如何或者是否需要修正也是LED热特性描述中的大问题。在多数严格的定义中,耗散的热能等于总的电功率减去输出的光功率。这听起来很简单,但在实际操作中很难计算出耗散的热量:首先,所需要测量的光参数会增加测量系统的复杂程度;其次,光学校需要提供与其与电流和壳温的函数,还有所有的热阻值,这样才能被使用的客户所“重现”。
考虑到实际操作的复杂性,作者建议使用总的电功率作为耗散的热量,而无须去除“损失”的光能,这样就不会产生热能和误解并且便于使用的客户应用相同的能量<应该指的是相同的电压和电流>。然而,由于发光效率与结温的关系很密切,其光功率中也“包含”着热阻。或者可以说,由于结温变化所引起的部分热阻变化并不是真实的,而且不会影响到系统中的传热。如果LED需要在多种驱动电流下工作,并且散热片的温度不同,则应该对所有可能的工作情况进行测试。
LED封装的系统级热特性
厂商所提供的LED封装热特性参数仅能在一定程度上直接应用于系统级的分析,这是由于厂商测试所用的环境与客户实际应用时存在着一定的差异。并且,很多情况下会同时使用多个单晶片或者多晶片的LED封装器件。因此,在LED厂商和用户之间通过“无边界约束(BCI)简化热模型(CTM)”来交流则更为理想[11]。
对于大功率、单晶片的LED封装,当其中的热传递被设计为一个低热阻的热传路径时,简化热模型(CTM)可以被简化为一个热阻。而对于多晶片的封装,情况则较为复杂。简化热模型(CTM)不但要描述单个晶片的传热,还要考虑到各个晶片之间的热影响,这样的话对于单个晶片来说,无边界约束(BCI)情况已经无法适用[12]。
结论
大功率LED属于发热密度最高的半导体器件。由于其晶片上的温度梯度较大,如果使用常用的“结温”来描述就难于发现其中真实的传热现象。当LED内部晶片上温度梯度较大的时候,红外摄像的方法是很好的辅助手段。
随着LED技术的快速发展,急需相应的热规范。基于IC器件的JESD51系列标准经过相应的修改,也可以用于单晶片的LED器件。对于有特定模式和封装结构的多晶片器件,如果能够了解晶片之间的热影响,也可以用修正后的热阻概念来描述。当计算热阻的时候,如果将光功率减去来修正总功率,虽然从物理学的角度来看很有意义,但是在实际运用中却很难实现。使用包含光功率的总功率所计算出的热阻,对于结温的变化更为敏感。因此需要组合多种驱动电流和散热片进行测试。
作者:
Li Zhang, Ph.D.
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