大功率LED結溫測試及其在封裝熱管理中的應用研究.pdf

1、大功率發(fā)光二極管(LED)由于其節(jié)能和長壽命被作為新型固態(tài)光源廣泛應用于各行各業(yè)中。雖然近來LED流明效率在不斷提高,仍有約70％的電功率轉換為熱能,結溫和熱阻已成為制約LED發(fā)展和應用的瓶頸。芯片在高熱流密度作用下結溫快速增高,加速了LED光電特性的惡化。同時,封裝材料特性也會在高結溫下迅速衰減,引起器件失效。因此,為實現LED的高可靠性,結溫必須得到有效監(jiān)測。精確測試LED結溫對大功率LED的發(fā)展至關重要。本論文圍繞大功率LED的結

2、溫測試及其在封裝熱管理中的應用問題進行研究并取得了以下成果:
　　對動態(tài)結溫測試系統(tǒng)進行開發(fā),分析了不同結溫測試方法。采用LED前向壓降和其結溫之間的函數關系做溫度傳感參數進行設計。通過實驗論證了不同 PN結溫度下,LED前向電壓的變化曲線特征,提出對K系數進行分段擬合的標準。設計了脈沖控制調制電路快速切換兩路不同工作范圍的恒流源,實現了對大功率LED動態(tài)結溫測試曲線的實時采集,同時給出了結溫測試系統(tǒng)的可靠性設計和系統(tǒng)的抗干擾性分

3、析和處理。研制的LED動態(tài)結溫測試系統(tǒng)結構緊湊、便攜且功耗低,能用于工業(yè)現場進行在線測試,其測試精度為0.1℃,測試誤差控制在1％。
　　對結溫測試儀內部參數進行了分析,對TSP傳感參數,測試電流 IM,測試電流作用時間,采樣脈沖寬度,切換時間與采樣延時等指標的選取范圍做了分析和限定。測試并分析儀器中三個主要誤差來源:儀器標定誤差、K系數標定誤差和采樣延時引起的誤差,通過對大功率LED模塊進行有限元法建模得到電流切斷瞬間結溫的下降

4、幅度。對測試得到的數據分別與熱電偶、熱阻測試儀和紅外熱像儀的測試數據進行對比驗證,其結果具有較好的一致性。
　　提出了大功率LED暫態(tài)結溫的預測模型來擴展結溫測試儀的測試范圍,縮短測試時間,避免由高功率工作條件下的噪聲引起的測試誤差。構建了LED封裝5層的等效熱阻熱容網絡模型,并對其進行簡化求解及誤差分析,通過測試小電流下的動態(tài)結溫曲線,獲取LED模型散熱通道上的各層熱阻熱容參數,并通過結溫預測模型求解得到任意電流下的動態(tài)結溫值。

5、
　　將結溫測試用于不同LED芯片結構中,分析沿散熱通道的等效熱阻,得出其對穩(wěn)態(tài)結溫值的影響很小,通過瞬態(tài)結溫溫升快慢判斷芯片散熱結構好壞。對當前四種LED主流的封裝形式進行測試,發(fā)現小尺寸的CoB封裝形式LED模塊有最小的穩(wěn)態(tài)結溫,這是因為它有最薄的基板厚度,且基板為陶瓷材料,有較好的導熱系數。實測的穩(wěn)態(tài)結溫差值能很好的與理論值相吻合。在LED可靠性試驗中監(jiān)測LED老化過程中的結溫,分析結溫變化趨勢引起的LED衰減機制和失效模式