电压法LED结温及热阻测试原理 - 照明论坛-LED论坛-照明家族

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。

　　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=ΔVf/ΔTj 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=ΔT/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。

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

　　目前用于 LED 热性能测试的设备是参照EIA/JESD51标准的要求进行设计的。典型的设备有：MicReD 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。