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【技术专区】LED 封装器件芯片结温测试浅述(上)

2016-12-05 作者:冯子成 来源:佛山市香港科技大学LED-FPD工程技术研究中心 浏览量: 网友评论: 0

摘要: LED 的发热主要是来源于其芯片,目前认为其发热原因一是来自非辐射载子复合,二是来自载子复合产生光子并未能有效地发射出来。对于一个既是发光又是发热的 LED 芯片,热电偶会因为吸收了光辐射而产生相当大的误差,越靠近发光面,热电偶测得的温度误差会越大

  目前,LED 正以其优异的电光转换效率及光效得到业界的充分认可。但大家都知道 LED 除了其本职功能——发光以外,还有一个不得忽视的重要问题,就是 LED 的发热。经过这十 几年的发展,虽然现在 LED 的电光转换效率已经达到 40%~60%,但还有很多能量是通过热 的形式散发出来。尽管人们都一厢情愿地希望某光源能够直接把电能全部转变为光能辐射出来,想把多余的热量斩草除根,但是臣妾做不到啊。

  本文的主题便是让大家了解如何进行 LED 的热测试。

  首先从封装上来看,目前 LED 的发展模式与电子封装的发展一脉相承,其区别无非是把 功能性的电子芯片换成了能发光的 LED 芯片,以及把不透光的封装塑料换成了硅胶或环氧树 脂等透光材料。因此可以发现,承袭这封装套路的 LED 热传导路径也与大部分的贴片式电子 元件相一致,可以简化地看成是从芯片到基板的一维散热路径。

图 1 LED 一维热传导路径

  LED 的发热主要是来源于其芯片,目前认为其发热原因一是来自非辐射载子复合,二是来自载子复合产生光子并未能有效地发射出来。如果芯片只是固晶在支架上,上面没有透镜或荧光胶覆盖,这时候是可以通过红外热像仪来观察芯片表面温度的。一般这种情况可用红 外拍摄得到的这个芯片表面温度。特别要注意,发光面的表面温度不能用热电偶来测量。虽 然热电偶是非常方便的测温器,但对于一个既是发光又是发热的 LED 芯片,热电偶会因为吸收了光辐射而产生相当大的误差,越靠近发光面,热电偶测得的温度误差会越大。

图 2 LED 芯片红外拍摄图

  但我们的问题是,如果是已经封装好的芯片,我们要怎样测出芯片的结温呢?上面说的红外热像仪只能测物体表面(红外透过率强的材料除外)的温度,并不能拍摄到被透镜或荧 光胶覆盖下的芯片结温。其实呢,LED 因为其二极管的特殊性,其自身就可以做为一个表征 温度的传感器。标准 JESD51-1 里面就有说到,二极管的端电压会随 PN 结的温度变化而变化, 而且端电压与结温是非常接近线性的变化!既然是这样,那我们不就可以用电压来监测芯片 内部 PN 结的温度了吗!事实上 JESD51-1 就是介绍这种可行而且是精确的方法。

图 3 K 系数测试实例

  下面我们就来简单地介绍一下 JESD51-1 标准里所提及的测试方法。

  首先,我们把上文提到的电压—温度变化曲线的斜率△V/△T 称为这个半导体芯片的 K 系数。 每种芯片都有属于自己的 K 系数,这是芯片自身的 PN 结决定的,属于其本身的特征之一。图 3 为 K 系数测试实例。

  K 系数的测量是用很小的测试电流Isense(比如 1 mA)读取不同环境温度下的电压值, 而且只要给足够的时间我们就可以认为芯片的实际温度等于其所在的环境温度。那测试电流Isense为什么要用小电流呢?因为电流大了,电流会引起芯片的发热,芯片发热后其实际温度就和环境温度有比较大的差别,而环境温度是我们可以控制的参变量,因此我们的测试电流Isense要用小电流。

  得到这个 K 系数以后是不是就可以知道结温了呢?既然都有了电压与温度的对应关系,那我们不就可以读出 LED 正常工作的电压,来反推芯片的结温了吗?然而事情并没有这么简 单(除非你们家的 LED 是在像 1mA 这样的小电流下工作的~)。就单芯片的 LED 来说,其正常工作的电流Idrive现在已经达到好几百毫安,甚至超过 1A,我们想知道的是 LED 在这种工 作电流下的结温。那该怎么办呢?既然有了 K 系数,那我们可不可以用一个跳变的方法来测试呢?

  比如,把 LED 在工作电流Idrive下点亮一段时间,认为 LED 热平衡了以后,把工作电流突然跳变到测试电流Isense,只要电流跳变的时间足够快,只要采集电压的速度能跟得上, 而且测试精度还杠杠的,那我们就可以测出跳变成测试电流后的瞬间的电压V1。为了能把 K 系数用上,我们再让 LED 在测试电流下工作直到与环境温度热平衡,这时候再测得一个电压值V2。由于这两个电压值都是用Isense测得的,那这两个电压就可以用 K 系数来对应温度, 用这两个电压值的变化值△V除以 K 值就能得到一个温度的变化值△T

图 4 电流瞬变的电压及温度的变化特性

  聪明的读者可以发现,这个温度变化值?T其实就是环境温度与结温的差值,因此只需要把?T加上环境温度就可以得到芯片的结温。因为采集的时间足够短,短得可以认为热还没有时间马上散掉,测得的第一个电压值对应的温度可以认为是 LED 在工作电流下对应的温 度值。JESD51-1 标准里面介绍的就是这个方法,里面有严格的证明,笔者在这里只是简单的描述这个测试方法。

  问题来了,既然有这种先进的测试方法,那有设备能满足这个高速开关和高精度的要求吗? 当然有,JEDEC 委员会中这个标准的制定者就专门做了一套完全符合这个标准的测试设备,那就是业界闻名的 T3Ster( 热瞬态测试仪 Thermal Transient Tester),无论是二极管、三极管、场效应管还是 IGBT,这些半导体器件的结温和热阻都可利用 T3ster 进行测量。而且经数学运算后还可以把热传路径上的每层结构的热阻解析出来,找出散热瓶颈。

  附注:由 JEDEC 发布的 JESD51 系列标准里有详细规定及定义如何测试半导体器件的结温, 以及在一维热传导路径下的热特性(包括热瞬态响应、热阻及热容等)。JEDEC 即固态技术 协会,是微电子产业的领导标准机构。JEDEC 的主要功能包括术语、定义、产品特征描述 与操作、测试方法、产品质量与可靠性等等的确定与标准化。JEDEC 委员会在广泛的技术 领域领导着产业标准制定,包括同其他组织联合制定标准。热测试的标准在全球范围内都没有比 JESD51 系列更规范更标准了,所以这系列的热测试标准一直是全球半导体封装的领导者。

  本文由佛山市香港科技大学 LED-FPD 工程技术研究开发中心整理提供。

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  本中心拥有 T3Ster 热瞬态测试仪并且配备有 300V/10A 的高压模块,能满足所有 LED 的热测试需求。除此之外,本中心还配有美国品牌高精度的红外热像仪、导热材料的热导率测试仪以及热仿真软件。齐全的设备加上强大的热管理设计团队能帮您提供完整方案,解决热设计上的各种困难。




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