外部电压源法测试大电压LED器件／模块热阻

陈国龙，朱丽虹，郭自泉，张纪红，吕毅军，高玉琳，陈 忠

（厦门大学 电子科学系，福建省半导体照明工程技术研究中心，福建 厦门 361005）

LED的发光效率、峰值波长、色坐标、正向电压、寿命等性能指标会受到器件工作温度的影响，因而其散热的好坏决定其性能的优劣，热阻是衡量器件散热性能的重要参数［1－3］。

1 电学参数法

电学参数法是目前测试LED热阻运用最为广泛的技术手段，利用半导体器件的结电压与结温具有良好线性关系的特性，通过测量PN结的正向压降变化，达到测量LED器件的热阻和结温的目的，该分析手段具有快速、非破坏性等优势［4］。国际热特性测试标准IEC747－7［5］和国家标准 GB／T4023—1997、SBJ11394—2009和SJ20788—2000等都基于电学测试法［6－8］。

匈牙利MicRed公司的T3Ster／Teraled热光参数测试仪基于电学参数法，通过采集LED器件的瞬态热响应曲线实现其热阻的测量；同时，在计算热阻时，排除了光功率的影响（待测器件光功率可通过Teraled光参数测试仪测量，其中光学与热学测量过程中，可对器件进行实时控温）［9］。

T3Ster／Teraled热光参数测试仪也可以单独采用手动的方法，进行电压温度关系系数、光功率和光通量的测试，但测量光功率和光通量要先进行自校准操作。该仪器还提供了阴极电平漂移技术和采用外部电压源供电模式两种测试大电压LED器件／模块热阻的方案。阴极电平漂移技术本质上就是采用负偏压扩展技术，测量范围只能扩展到15V［10］。如果待测器件超过15V，则需要采用外部电压源供电模式。然而，目前仍没有针对该仪器测试正向电压大于15V的LED器件／模块的相关报道。本文利用外部电压源供电的方法扩展T3Ster／Teraled热光参数测试仪的测试电压范围（最大可达到50V），实现了对大电压LED器件／模块热阻的测量，对大电压LED器件／模块的热阻测试具有实用和参考价值。

2 热阻与结构函数

热阻定义为热流通道上的温度差与通道上耗散热功率之比，热阻Rth的计算式为

式中：K为LED的电压温度关系系数；PH为LED损耗的热功率；Pe为电功率；Pφ为光功率；VF1和VF2分别为LED加热前后（加热电流IH和测试电流IM同时加载待测器件）在测试电流IM下的电压，IM应为小电流。

基于 Cauer网络模型，V.Székely［11］最早提出了结构函数的方法来分析半导体器件的热学特性。该方法通过测量器件在加热或冷却过程中的瞬态热响应曲线，抽取与热阻、热容有关的器件结构函数，从而分析出器件的热阻、热容等重要热参数。T3Ster／Teraled热光参数测试仪正是基于电学法和结构函数理论测试瞬态热阻。

3 外部电压法原理

3.1 R－Driver模块及外围电路

T3Ster／Teraled的R－Driver模块（电源开关驱动器和增压控制模块）见图1，可以应用于串联型LED或大电压LED模块热阻的测试。为了实现此目标，需要提供一个比T3Ster／Teraled所提供的电压或电流更大的外部电源。R－Driver模块内有一个UDSmax＝50V和IDmax＝2A的 MOS场效应管电子开关。T3Ster／Teraled根据所施加外接电压源大小不同，待测LED样品电压能得到较大范围的扩展，在最大2A加热电流下，LED样品电压可扩展到50V。

图1 R－Driver模块

R－Driver模块有2个15针D－SUB连接器JP1和JP2，JP1用于测量控制，JP2有其他功能。基于测试电路原理图的测试夹具见图2。

图2 外部电压供电热阻测试夹具图

3.2 实验原理

外部电压供电热阻测试实验原理图如图3所示。

图3 外部电压供电热阻测试电路图

由图3可知，在MOS场效应管电子开关（Switch）断开的情况下（相当于测试电流IM下）有：

式中，r＝（R2＋R3）／R3。

由式（2）可见，一旦外接电阻R2和R3确定，ΔUR3与ΔUF有确定的线性关系，外部电压法测试正是利用这一线性关系。

4 实验及结果处理

4.1 实验过程及注意事项

基于JP1接口的外部电压供电法热阻测试连接图［12］见图4。因为 T3Ster／Teraled测量通道能测量的电压范围为±5V，必须采用电压分压才能测试大电压的LED模块，图4中的R2与R3实现分压功能。R2和R3的阻值决定于LED模块的阈值电压和所选取测试电流的大小。为消除测试过程芯片自热问题，通常选取的测试电流在1～20mA，因此R2与R3的数量级一般为数百至数千欧姆。

图4 外部电压供电热阻测试连接图

R1阻值取决于所测LED模块需要的加热电流和阈值电压，该电阻用于防止过流，必须精确计算，R1的阻值应与R2和R3的串联阻值有数量级的差异（R2＋R3≫R1），以减少在加热情况下R2和R3的串联分流，有助提高测量精度。LED模块的电压利用R－Driver模块内的数字电压表（DVM）单元测量，加热电流利用R－Driver模块内的电流测量单元进行测量，通过测得电压和电流值可计算器件的电功率。

连接LED模块到测试夹具，然后连接测试夹具到T3Ster／Teraled相应的JP1、DVM 和 Meas.ch等接口，设定 R－Driver模块上的开关在 PC位置，在T3Ster／Teraled控制软件Configuration里选择R＋D C－GND测量模式。

先设定外部电压源为0V。在Set Parameters窗口里点击OFF／ON，逐步增大外部电压源电压至LED模块开始正常工作。在DVM窗口里观察LED模块的电压降，即LED模块的阈值电压。电压源减去阈值电压后除以R2和R3的总电阻作为测试电流IM。如果电压设置合适，在Set Parameters窗口里开关切换到ON／OFF（相当于加热电流IH），监视LED模块的电压。如果电压和电流合适，就可以设定measurement delay和measurement time这2个参数，点击Start button开始测量。

测量完后，必须进行分压补偿。在.raw文件里相对应的电压温度关系系数K必须乘上r，或.par文件里电压温度关系系数CH－Sensit必须除以r，不然测试系统必须校准。

必须注意不合适的设置可能会造成器件的损坏，所以外部电压源必须先计算。

4.2 实验结果及数据处理

实验样品采用大电压LED模块，驱动电功率10W，在加热电流350mA下正向电压30V左右。根据上述的实验步骤和要求，计算选取合适的器件参数：US＝31.08V，R1＝2.6（1W），R3＝500Ω，R2＝0。因为R2＝0，所以r＝1，所测的电压温度关系系数K值不必再进行修正。

实验测得样品的电压温度关系系数K如图5所示，测得K＝－10.489mV／℃。热沉温度为25℃下样品发出的光功率为2.736W。计算热阻时，应扣除光功率的影响。按常规进行数据后处理，热沉温度25℃下样品所测得的积分结构函数图如图6所示［13－15］，图中Cth表示热容。

图5 样品的电压温度系数

图6 样品的积分结构函数图

5 结束语

本文在T3Ster／Teraled热光参数测试仪R－Driver模块性能的基础上，根据外接电源电路参数的设计依据，合理计算外接电阻参数，成功地通过外部电压法对正向电压大于15V的LED器件／模块开展热阻测试分析。本文采用的外部电压法拓展了热阻仪测量范围，使正向电压大于15V、小于50V的LED器件／模块的热阻测试成为可能，具有实用价值。

（References）

［1］Chambers P，Austin Ed A D，Gunning M J，et al.Investigation of the peak power enhancement available from a surface emitting GaAlAs near－infrared light emitting diode by cooling and pulsing［J］.Measurement Science ＆ Technology，2003，14：2006－2014.

［2］李炳乾.1W级大功率白光LED发光效率研究［J］.半导体光电，2005，26（4）：314－316.

［3］余彬海，王浩.结温与热阻制约大功率LED发展［J］.发光学报，2005，26（6）：761－766.

［4］EIA／JEDEC Standard JESD5 1－1.Integrated Circuits Thermal Measurement Method－Electrical Test Method（Single Semiconductor Device）［S］.USA：ELECTRONIC INDUSTRIES ALLIANCE，1995：3－7.

［5］苗庆海，Yuan Miao，张德骏，等.关于国际电工委员会2000年版热阻标准IEC 60747－7中△VBE与IE关系的讨论［J］.自然科学进展，2004，14（8）：955－960.

［6］GB／T4023—1997半导体器件分立器件和集成电路第2部分：整流二极管［S］.北京：中国标准出版社，1997.

［7］SJ／T 11394—2009半导体发光器件测试方法［S］.北京：中国标准出版社，2009.

［8］SJ20788—2000半导体二极管热阻抗测试方法［S］.北京：中国标准出版社，1997.

［9］高玉琳，吕毅军，陈忠.结构函数在大功率LED热阻测试中的应用［J］.半导体光电，2008，29（3）：329－331，443.

［10］陈国龙，雷瑞瑞，陈焕庭，等.负偏压法测试大电压LED器件／模块热阻 ［J］.实验技术与管理，2012，29（4）：48－52.

［11］Székely V，Bien T V.Fine structure of heat flow path in semiconductor devices：A measurement and identification method［J］.Solid State Electron，1988，31（9）：1363－1368.

［12］MicReD Ltd.T3Ster Model 2000／100Hardware Reference Guide［M］.MicReD Ltd，2007.

［13］MicReD Ltd.T3Ster－Master Thermal Transient Evaluation Tool for Win32［M］.MicReD Ltd，2007.

［14］MicReD Ltd.Teraled Measurement Control and Evaluation Tool［M］.MicReD Ltd，2006.

［15］MicReD Ltd.Teraled Measurement Results Evaluation Tool［M］.MicReD Ltd，2006.