大功率LED器件热阻的热敏感性研究

厦门多彩光电子科技有限公司 涂庆镇

1 前言

随着LED相关各项技术的飞速发展，很多技术在LED领域得到了应用，LED照明技术逐渐取代了传统钨丝灯泡的地位。在大功率LED领域，现技术仍然存在一定问题，大功率器件的能量利用效率较低，LED的可靠性得不到保证，稳定性不足，热阻问题没有得到足够的重视，对热敏感的研究不足，想要继续发展大功率 LED产业，必须要解决LED的热阻问题。

2 LED热阻热敏感性研究的背景分析

大功率LED与普通LED是不同的，普通LED工作时的电流低于60ma，工作时的功率在1W以下，而大功率的LED器件工作时的电流通常在60ma～1000ma，工作时的功率要大于1W。功率较大的LED目前应用广泛，在各项技术的进步推动下LED正在逐步取代传统照明光源，因此世界上各个国家和大型照明企业都在不遗余力地发展LED相关技术，争夺的技术制高点[1]。

然而LED技术的发展并不是一帆风顺的，尽管很多国家和大型企业都投入大量财力和精力进行研发，但是当前LED发展状况与研发的理想状态仍然存在一定的差距，GaN的LED内量子效率在80%以下，内量子效率只能维持在30%左右，可以看出相关技术的技术障碍仍然存在，LED仍然具有非常大的提升空间。预期设定的100000h的使用时间的无法得到保证，器件的稳定性还是有待提高，可靠性不足，这些是亟待解决的关键性问题[2]。

3 大功率LED器件的发展现状分析

3.1 大功率LED结温测定技术现状分析

随着技术的不断发展和LED功率不断的升高，LED芯片的PN结温度较之以前明显的升高，LED的性能表现也相应受到影响，造成诸如亮度降低、色温漂移、能量转换效率低下等问题，此外还会造成使用寿命缩短等问题[3]。与传统照明方式相比，散热问题一样是LED设备需要解决的问题，而散热能力的衡量标准就是对LED的结温进行测定。热敏电阻本身存在热阻抗，会对LED造成一定的影响，同样成本也过高，一般应用在LED的研发过程中，已经投入生产的产品测温一般不采用这种方式[4]。

3.2 大功率LED热阻测定技术现状分析

按照JESD51-14标准，在测定热阻时可以通过先测定出LED的结温数据经计算得到LED的热阻数据，再通过函数进行分析，最终得到LED的的封装热阻。我国研发团队研发了BJ298X系列的仪器，可以准确的测定热阻。不过此类仪器一般都体积较大，不便于携带，而且使用规程复杂，步骤较多，一般只用于实验室中。

4 LED器件热阻的测定原理和方法

4.1 LED器件热阻测定的物理模型

在LED的热阻测定中，LED底座的温度Ts不能被用直接的测量方式得到，需要通过间接方式进行测量。为了减小测定带来的误差，文章通过对LED的非线性降温线进行测定，获得LED的底座温度和结温数据。由于LED底座的温度较为恒定，并且底座的体积不大，因此不易产生影响。将LED点亮，断流后使用方程式进行计算，假如芯片热容非常小，那么可以视为断流后的散热不会引起底座温度Ts的变化，那么方程为：CsΔTs/Δt=Ts-Ta/Rs-a,若初始温度为Ts0，那么Ts=Ts0，t=0，底座的温度与外部温度相同，即：Ts=Ta，t=∞，对方程进行计算。因为LED的芯片热容Cj是比较小的，所以Rj-sCj的数值较小。在进行脉冲电压冲击LED前后的时候，脉冲值约为15μs，200ma，LED的结温在实验开始后会升高到55℃，然后在10μs以内降低到外部温度数值，因为LED的散热时间较长，所以有Rs-aCs>Rj-sCj。由上述方程进行分析，可以简化为：Tj=(Tj0-Ts0)e-t/Rj-sCj+(Ts0-Ta)e-t/Rs-aCs+Ta,在LED断去电流之后该数值迅速从10μs下降到0，LED的温度与底座温度相同，得到衰减的规律，通过规律对Ts0进行测算可以得到断流瞬间的底座温度，从而实现了不通过金属板媒介而得到了底座温度的数据。

4.2 LED热阻的测量步骤

在30℃、40℃、50℃、60℃条件下分别使用1ma的电流让LED进行工作，对正方向的电压进行测定和记录，得到LED的相关数据。

使LED器件持续工作，按照恒定的时间间隔0.2s进行电流I、电压U和结温的测定。在结温测定时，要在50μs内将电流I切换到1ma，测定LED正压获得LED结温数据，然后提升电流I至大电流，可得：LED在切换到较小电流之后结温会比较快的下降，因此换流后应改变为2MHz的速度对正压进行采集和测定，然后进行数据的处理和计算，得到瞬间LED正压从而利用电压得到LED的结温。

在LED的结温不变之后对LED的电流进行切断，按恒定的时间0.2s继续对结温进行数值的测定，在LED的该项数据下降到外部环境温度后停止测定。

测定完成后按照原理和方法进行数值确定，将LED工作时的结温的均值作为LED的工作结温，将工作功率取平均值作为LED的正常工作功率。

关闭电流后在10s以内对结温进行指数的拟合程度分析，然后得到关闭时刻的LED底座温度。

使用公式对LED的热阻进行计算：Rj-s=(Tj0-Ts0)/P。

5 LED器件热阻测定的结果及分析

5.1 工作电流对LED热阻的影响

通过实验对电流在60ma～1000ma之间进行变化，LED的热阻随着电流的变化而变化，具体体现为随电流增加体现出先变小后变大的规律，LED在350ma的电流下进行工作时是比较安全与稳定的，LED受散热的影响较小，能量转化效率较高，在电流继续增加的情况下，功率的增速明显与电流的增速不相匹配，表明在能量转换中更多的电能转化为了热能，导致结温的上升，并且过大的电流导致了LED各部件连接处的故障率上升，内部材料因为电流影响产生了变化，PN结结温会升高，因为功率上升所增加的热量不能传递到设定位置，热阻会迅速升高。

5.2 基板温度对LED热阻的影响

基板主要为铝基板和陶瓷基板两种，在铝基板的元件中热阻会随着温度的增加而变化，主要表现为LED热阻随温度上升而降低，变化速度由快到慢。在陶瓷基板的LED器件热阻在65℃以下时是减小的态势，而在65℃以上时会产生上扬趋势，在65℃这个阶段，LED的工作状态比较良好，器件内各零件运行较为稳定，热阻较小，发热量较低，在温度大于65℃时，芯片的温度是在80℃到110℃，GaN的对热量的传导效果呈下降的趋势。随着温度继续升高，电能转换成光能的效率慢慢地变低，因为铝基板和陶瓷制的材料不同，所以呈现的情况有所不同，铝制封装LED热阻会降低，而陶瓷制LED的电光转换效率变化不大，因为陶瓷的导热性能较好，所以热量会进行传导，造成陶瓷基板LED的热阻上升。这两种材料封装的LED在光性能方面也表现不同，铝基板LED的斜率比陶瓷基板LED要大一些，两种材料分别为-0.54mW/℃和-0.36mW/℃，陶瓷材料在温度变化时候的光学性能是比较恒定的，陶瓷的导热性能优秀，芯片的温度是比较低的，LED的光学性能良好。

5.3 互连材料对LED热阻的影响

不同互连材料对LED热阻的影响是不同的，14W/(m·K)的银胶封装LED热阻为13.79℃/W，67W/(m·K)的锡膏LED热阻降低为9.57℃/W，说明LED内部互连材料是影响LED热阻的重要因素。

6 结束语

随着LED的发展，近些年来大功率LED器件的应用范围逐渐变大。在LED器件的使用中，其发热问题是必须重视的，发热问题影响器件的正常使用和照明效果，甚至会影响LED的使用寿命，因此对LED的热阻的热敏感性进行研究是非常有必要的。通过对热阻的有关研究，可以降低LED设备的工作结温，有效提高LED器件的寿命和使用体验，提高LED厂家的市场竞争力。

[1]余彬海,王垚浩.结温与热阻制约大功率LED发展[J].发光学报,2015,26(6): 761-766.

[2]毛德丰,郭伟琳,高国等.功率LED结温和热阻在不同电流下的性质研究[J].固体电子学研究与进展,2015,30(2):308-312.

[3]庄鹏.大功率LED的热阻测量与结构分析[J].现代显示,2016,(9):25-29.

[4]吴慧颖,钱可元,胡飞等.倒装大功率白光LED场分析与测试[J].光电子·激光,2015,16(5):511-514 .