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1、功率LED散热研究进展1、相关定义1.1、LED结温和热阻的概念与检测原理4.1.1LED结温及测试4.1.1LED结温及测试①结温的概念LED的结温是指当电流流过LED元件时,P-N结工作区的温度。结温是LED的热学性能主要指标,对LED的光电色参数具有显著的影响。在LED工作时,出光效率低是导致LED结温升高的主要原因。目前,先进的材料生长技术和元件制造工艺已能够使LED极大多数输入电能转换成光能,然而,LED芯片材料与周围介质具有更大的折射系数,使芯片内部产生的大部分光子在芯片与介质介面产生全反射,无法溢出介面,返回芯片
2、内部并通过多次内部反射而被芯片材料或衬底吸收,并晶格振动的形式变成热能,使P-N结温度升高。②结温的测试方法准确测试结温对LED应用、研究和标准制定等具有举足轻重的作用。由于LED芯片结构复杂,以往的温度测试方法很难准确测量芯片有源层的温度。目前,在一些文献中已经提出一些测试LED结温的方法,主要包括红外热成像法、光谱法、管脚温度法、蓝白比法以及正向压降法[53]。1)红外成像法红外热成像法是利用红外热成像仪器测量LED结温,测量过程比较方便,但是很容易受到LED封装结构的影响,而且测量误差比较大,响应速度较慢。2)光谱法由于
3、半导体材料的性质对温度很敏感,随着P-N结温度的升高,有源层半导体材料的禁带宽度Eg会随之变窄。光谱法就是利用LED结温升高时,LED的主波长或λp就会向长波方向漂移,有实验数据表明当结温每升高10℃,主波长向长波方向漂移1nm[53].由此主波长随温度变化的关系可表示为:λp(T‘)=λ0(T0)+ΔTg×0.1nmC(4.1)3)管脚温度法管脚温度法是利用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Tj。结温可以通过换算公式得到:33Tj=Tp+Pj×Rθj?p(4.2)式中,Tp是管
4、脚温度,Tj是结温;Pj是芯片耗散的热功率;RΘj-p热阻系数可以由厂家给出,或者由实验确定。4)蓝白比法蓝白比法是利用白光LED的发光光谱分布来测LED的结温,是一种非接触的结温测量方法,其最大的优点是不需要破坏器件。其原理是:随着结温的升高,蓝光LED芯片的发光强度和荧光粉发光效率都会下降,而且荧光粉效率下降更为显著。蓝白比法正是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。以上方法在LED结温测试中各有优缺点,在本文之中,结合实验室设备,利用正向压降法测试LED结温。4.1.2正向压降法测量LED结温的原理
5、①单颗LED灯珠结温测试LED结温的测量,目前采用较多的是正向压降法。半导体材料的电导率具有热敏性,温度变化会显著改变半导体中的载流子的数量,禁带宽度随温度的升高而降低,并具有良好的线性关系。由此,在输入电流恒定的情况下,LED的正向电压与其结温之间具有线性关系[54]。利用这个关系,可以根据LED的正向电压的降落测出电压温度系数K值,再根据K值测得结温。电压温度系数的测量如图4.1所示,将LED置于温度可控恒温箱中,让恒温箱内温度在很长时间内保持恒定,此时LED的P-N结的温度等于温箱内温度,在不同温度点(T1,T2)利用稳
6、定的正向测试电流Im通过LED,迅速地测量LED两端的电压值(U1,U2)。LED的P-N结热容量小,在通入电流的瞬间会使P-N结温度迅速升高,也就是自热效应,使P-N结温度高于温箱温度,这将带来误差。所以Im的选取一般为LED额定电流的1%左右,以消除自热效应。可控温箱V探温测度器Im图4.1LED的K值测试图Figure4.1ThetestdiagramofoftheKvalueofLED342121KUUTT=??(4.3)不同的Im对应不同的K值,不同功率不同色光LED的K值也不同。1w红光LED输入1mA恒流的K值为
7、-0.0018V/℃,表示温度升高1℃,电压降低0.0018V。测试LED结温过程中,将LED置于如图4.2(a)所示的电路中,在室温下测得初始温度T0,在T0时输入正向测试电流Im,由电压表测得LED两端初始正向电压Ua;将电流换到工作电流Ih,在工作电流下LED工作足够时间达到热平衡,记录此时电压值Uw用温度传感器测量LED基板温度Tb,同时迅速将工作电流切换到正向测试电流Im,记录此时电压Ub,其电流变化曲线如图4.2(b)所示。结温表达式为:Tj=T0+(Ub?Ua)K(4.4)②正向压降法在LED阵列中的推广将式(4
8、.3)进行微分处理,可以得到FJKdV=dT(4.5)式中,dVF是正向压降的微分,dTJ是结温的微分。那么LED阵列的K值可以修正为:FtotalFtotalKdVndVnKdTdT=?==(4.6)所以,n个LED封装的阵列中K值是单芯片封装的n倍,正向压降是LED阵列的
