新的挑战！高功率/高亮度发光二极管的封装热特性参数
本文来源 Electronics Cooling Magazine Vol.14, No.2，翻译by lelele @ 263.net.
原文见http://www. electronics -cooling.com/html/2008_may_a1.php
作者：Li Zhang，Philips Lumileds Lighting
Theo Treurniet，Philips Lighting
前言
近年来，高功率/高亮度发光二极管（LEDs）在照明中的应用越来越多，其功率密度也越来越大（最新的产品的功率已经高达200-300W/cm2）；因此，将LED 内部的晶片温度维持在一个较低的水平也变得非常困难。并且，出于成本、噪音和可靠性的考虑，使用主动散热的方式并不现实；而传统光源中所常用的辐射散热的方式也由于LED 内部的晶片温度较低而难以奏效。
LED 内部的晶片温度，通常也被叫做“结温”，对其光学性能和可靠性有着很大的影响。
例如，较高的晶片温度会使得发光效率降低（以单位功率产生的光通量表示），并造成色点和色温的漂移。发光效率的退化在很大程度上是由内量子效率的降低所引起的。而长时间处于高温之下也会造成欧姆接触[1]和磷化物[1-2]的退化，退化会使得发光效率逐渐降低或者灾难性的故障[3]<可以理解为突然性的实效，“灾难性的故障”是可靠性中常用的，用来“恐吓”老板的词 ^_^>。
获得LED 的晶片温度通常需要测量一些相关的电/光参数，通过电/光参数和晶片温度之间已知的关系推算出来。其中，正向电压测试法最为常用[4]。红外照相的方法能够得到LED内部晶片的表面温度分布图，便于了解表满的温度梯度。还有其他一些方法可参考相应的文献：如峰值波长偏移法[5]，液晶涂敷法[6]，光谱分析法[7]等。
使用单一结温来描述LED 内部晶片的温度是很常用的方式，但当内部晶片上的温度梯度较大的时候，这种描述就显得含糊不清。通常认为结温是内部晶片的平均温度，尽管这仍待考证；并且将结温和设备的可靠性联系在一起也是有争议的[8]。而对于大功率的LED 设备，过热引起的失效往往是局部现象，最好考量失效部位的温度。
IC 封装中常用的“热阻”也常用于描述LED 的封装，其中ΘJB 和ΘJC 要比ΘJA 使用的更为广泛。由于高功率的LED 封装旁边存在着散热块；如果参照当前的JESD51 系列标准[9]来描述LED，很难用相应的条款明确环境温度或是参考温度。因此，现在急需对LED 热阻的测量和报告进行规范，这样可以减少在LED 热阻上认识的矛盾，对LED 的生产者和用户都有好处。
LED 晶片温度的测量
LED 内部晶片的正向电压和温度通过一个叫做K 因子的系数联系在一起。即使是在同一生产批次中，K 因子的变化使得每个单独的封装都需要校准。
测量正向电压可以反映功率阶跃函数，通过瞬态的方法可以生成一个构造函数。当把这个构造函数与实际的封装结构结合起来就能够从物理等角度洞察热传的路径[4]<由于不是做 LED的，况且对电的认识很浅，附原文供参考：Measuring the forward voltage response to a power step function, the transient method can generate the so-called structure functions. These structure functions, when combined with the actual device structure, can provide physical insights into the heat transfer path [4].>
红外成像也可以用于测量LED 的内部晶片的温度，但仅有内部晶片的表面温度可以进行精确的测量。对于裸露的LED 片，其内部的温度梯度比较小，表面温度近似于结温。对于采用磷化物封装的LED 片，其外部磷化物引起的发光损耗会产生额外的热耗散，使得测量的温度要高于结温。热设计 https://www.resheji.com
对于红外成像的方式，精确的发射率是获得高精度测量结果的关键。其中一个复杂的问题就是LED 的内部晶片材料对于红外相机所接受的波长来说是透明的。绝大多数相关材料对于
“长波”(8-10 μm)相机是不透明的。“中波”(2.5-5 μm)相机有着更好的分辨率，但很多陶瓷和半导体材料会投射或者反射这个波段的红外线，因此更难应用。“长波”相机能够提供的最小分辨率在20 μm 左右。
基于光谱测量的方法则通过测量LED 峰值波长的漂移，根据已知的线性关系式来间接转化为温度的变化。但是，由温度波动引起的波长变化在数量级上非常小(AlInGaP 材料的变化是0.05 - 0.10 nm/K，InGaN 材料的变化是0.04 – 0.05 nm/K)，通常实际中很难使用这种方法来测量温度的变化。并且，LED 上相关峰值区间很大，难以精确的测量波长的漂移并推算出准确的温度变化。
图1. 对于高功率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。所有温度使用红外相机测量。
“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.
Product Research & Development
Philips Lumileds Lighting Company
370 W. Trimble Rd. MS 91ML
San Jose, CA 95131
(408) 964-5244
Theo Treurniet, Ph. D.
Philips Lighting
Advanced Development Lighting
Mathildelaan 1 / EEA-223
P.O. Box 80020
5600 JM Eindhoven
The Netherlands
Tel: +31 40 27 57543, Fax: +31 40 27 56564
参考文献：
1. Meneghesso, G., Levada, S., Pierobon, R., Rampazzo, F., Zanoni, E., Cavallini, A., Castaldini, A., Scamarcio, G., Du, S., and Eliashevich, I., "Degradation Mechanism of GaN-based LEDs after Accelerated DC Current Aging," IEDM, 2002, pp. 103-106.
2. Narendran, N., Gu, Y., Freyssinier, J., Yu, H. and Deng, L., "Solid-state Lighting: Failure Analysis of White LEDs," Journal of Crystal Growth, Vol. 268, 2004, pp 449-456.
3. Barton, D., Osinski, M., Perlin, P., Helms, C., and Berg, N., "Life Test and Failure Mechanisms of GaN/AlGaN/InGaN Light Emitting Diodes," Reliability Physics Symposium, 35th. Annual Proceedings, 1997.
4. Poppe, A., Gabor, F., Horvath, G., "Electrical, Thermal and Optical Characterization of Power LED
Assemblies," Proceedings of 12th International Workshop on Thermal Investigations of ICs, THERMINIC 2006, p. 197-202.
5. Shatalov, M., Chitnis, A., Yadav, P., Hasan, Md. F., Khan, Adivarahan, V., Maruska, H. P., Sun, W., and Khan, M., "Thermal Analysis of Flip-Chip Packaged 280nm Nitride-Based Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes," Applied Physics Letters, Vol. 86, 201109, 2005.
6. Park, J., and Lee, C., "A New Thermal Measurement Technique Using Nematic Liquid Crystals with IR Laser Illumination for Visible Light Emitting Devices," Proc. Electronic Components and Technology Conference, Vol. 2, 2005, pp. 1607-1610.
7. Gu, Y., and Narendran, N., "A Non-Contact Method for Determining Junction Temperature of Phosphor-Converted White LEDs", Third International Conference on Solid State Lighting, Proceeding of SPIE 5187, 2004, pp. 107-114.
8. Lasance, C., "Thermally Driven Reliability Issues in Microelectronic Systems: Status-Quo and Challenges," Microelectronics Reliability, Vol. 43, 2003, pp. 1969-1974.
9. JEDEC Standard JESD51, "Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages (Single Semiconductor Device)," available for download at www.jedec.com.
10. Kim, L., Shin, M., "Implementation of Side Effects in Thermal Characterization of RGB Full-Color LEDs,"IEEE Electronics Device Letters, Vol. 28, No. 7, 2007, pp. 578-580.
11. Lasance, C., "Thermal Ten Years of Boundary Condition Independent Compact Thermal Modeling of Electronic Parts: A Review," Heat Transfer Engineering, Vol.29, No.2, 2008, pp.149-169.
12. Treurniet, T., Lammens, V., "Thermal Management in Color Variable Multi-Chip LED Modules",Proceedings of the XXII-nd SEMI-THERM Symposium, San Jose, Calif., March 12-16, 2006, pp.
热设计资料下载： 高功率_高亮度发光二极管的封装热特性参数.pdf
标签： 点击： 评论:
