介紹
必須清楚地了解LED內(nèi)部從PN結(jié)到環(huán)境的熱特性，從而確保得到一個安全,，可靠的設(shè)計(jì)和令人滿意的性能,。在熱流路徑中可能有裸芯片或膠層等多個導(dǎo)熱界面，并且它們的厚度和熱阻很難在生產(chǎn)過程中進(jìn)行控制,。此外,，在LED封裝和作為散熱器的照明設(shè)備外殼之間的導(dǎo)熱界面進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性。必須在樣機(jī)階段盡可能早地了解LED的熱阻值,。
電流,，顏色和效能
LED的光輸出特性主要取決于其工作條件。前向電流增加會使LED產(chǎn)生更多的光,。但當(dāng)前向電流保持不變,，光輸出會隨著LED的溫度升高而下降。圖1描述了溫度,，電流和光輸出的關(guān)系,。并且描述了一個LED相關(guān)的顏色光譜在峰值波長處的偏移。用于普通照明的單色LED,，藍(lán)色光譜的峰值會發(fā)生偏移,，因此改變了LED所謂的色溫。這會對LED照明空間內(nèi)的感官產(chǎn)生影響,。
像很多其它產(chǎn)品一樣,，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時也要權(quán)衡成本和性能。功率分配及因此產(chǎn)生的散熱需求很大程度上是由LED的能量轉(zhuǎn)換效率所決定,。其定義為發(fā)出的光能和輸入電功率的比值,。能效值與另一個度量參數(shù)效能有密切關(guān)系,，它是一個關(guān)于有用性的評價(jià)指數(shù)，可感知的光除以提供的電功率的比值,。效能被用于評估不同光源的優(yōu)劣,。不幸的是LED的效能會隨著LED結(jié)溫的增加而下降。預(yù)測LED的輸出光通量是照明設(shè)計(jì)的最終目標(biāo),。提供有效散熱的熱管理解決方案可以在LED實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生更多一致顏色的光通量,。
熱量從LED封裝芯片開始傳遞，相關(guān)的數(shù)據(jù)由供應(yīng)商提供,。圖2 中顯示的是常見的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu),。一個LED燈大約50%的結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻由LED封裝所引起。
傳統(tǒng)的LED標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步地完善,。相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在起草,，但LED供應(yīng)商仍然以不同方式定義它們產(chǎn)品的熱阻和其它與溫度相關(guān)的特性參數(shù)。例如,，當(dāng)確定LED熱阻時忽略了作為條件變量的輻射光功率,，那么得到的熱阻值將會比實(shí)際熱阻值要低。如果實(shí)際的熱阻值更高,，則相應(yīng)的LED結(jié)溫也會更高,，從而造成發(fā)出的光通量不夠。所以,，了解真實(shí)的LED熱特性參數(shù)是非常重要的,。
介紹
必須清楚地了解LED內(nèi)部從PN結(jié)到環(huán)境的熱特性，從而確保得到一個安全,，可靠的設(shè)計(jì)和令人滿意的性能,。在熱流路徑中可能有裸芯片或膠層等多個導(dǎo)熱界面，并且它們的厚度和熱阻很難在生產(chǎn)過程中進(jìn)行控制,。此外,，在LED封裝和作為散熱器的照明設(shè)備外殼之間的導(dǎo)熱界面進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性。必須在樣機(jī)階段盡可能早地了解LED的熱阻值,。
電流,，顏色和效能
LED的光輸出特性主要取決于其工作條件。前向電流增加會使LED產(chǎn)生更多的光,。但當(dāng)前向電流保持不變,，光輸出會隨著LED的溫度升高而下降。圖1描述了溫度,，電流和光輸出的關(guān)系,。并且描述了一個LED相關(guān)的顏色光譜在峰值波長處的偏移。用于普通照明的單色LED，藍(lán)色光譜的峰值會發(fā)生偏移,，因此改變了LED所謂的色溫,。這會對LED照明空間內(nèi)的感官產(chǎn)生影響。
像很多其它產(chǎn)品一樣,，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時也要權(quán)衡成本和性能,。功率分配及因此產(chǎn)生的散熱需求很大程度上是由LED的能量轉(zhuǎn)換效率所決定。其定義為發(fā)出的光能和輸入電功率的比值,。能效值與另一個度量參數(shù)效能有密切關(guān)系,，它是一個關(guān)于有用性的評價(jià)指數(shù)，可感知的光除以提供的電功率的比值,。效能被用于評估不同光源的優(yōu)劣,。不幸的是LED的效能會隨著LED結(jié)溫的增加而下降。預(yù)測LED的輸出光通量是照明設(shè)計(jì)的最終目標(biāo),。提供有效散熱的熱管理解決方案可以在LED實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生更多一致顏色的光通量。
熱量從LED封裝芯片開始傳遞,，相關(guān)的數(shù)據(jù)由供應(yīng)商提供,。圖2 中顯示的是常見的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)。一個LED燈大約50%的結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻由LED封裝所引起,。
傳統(tǒng)的LED標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步地完善,。相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在起草，但LED供應(yīng)商仍然以不同方式定義它們產(chǎn)品的熱阻和其它與溫度相關(guān)的特性參數(shù),。例如,，當(dāng)確定LED熱阻時忽略了作為條件變量的輻射光功率，那么得到的熱阻值將會比實(shí)際熱阻值要低,。如果實(shí)際的熱阻值更高,，則相應(yīng)的LED結(jié)溫也會更高，從而造成發(fā)出的光通量不夠,。所以,，了解真實(shí)的LED熱特性參數(shù)是非常重要的。
測量：溫度比光通量更重要
假設(shè)LED的溫度與其兩端的前向電壓降成線性關(guān)系,。因此,，通過觀察電壓降可以精確地推算出溫度的變化。為了很好地進(jìn)行這個測試,，測試系統(tǒng)的硬件和軟件必須滿足一定的要求,。 例如Mentor Graphics的MicReD商業(yè)自動化測試系統(tǒng)就是滿足此類要求的典型設(shè)備。
圖3描繪了此類測量裝置的簡圖（不成比例）,。測量的第一步是確定前向電壓在一個非常小的電流下的溫度敏感性,，這個小電流可以是傳感器或測量電流。之后,，LED被施加一個大電流,，從而使其變熱,。接著停止施加大電流，并且很小的傳感器電流再次出現(xiàn),，同時用一個高采樣率完成前向電壓的測量,，直至LED結(jié)溫完全趨于穩(wěn)定。由于LED快速的熱響應(yīng),，所以測量的硬件設(shè)備必須能夠捕捉LED電流停止施加后幾微秒內(nèi)的溫度（電壓）改變,。如圖3所示，被測量的LED處于一個封閉空間內(nèi),，這個封閉空間是JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的自然對流腔,，它提供了一個沒有氣流流通的環(huán)境。T3ster也可以提供類似的裝置,。表格1歸納了測試步驟,。
在電子行業(yè)，術(shù)語“Z”代表阻抗,，在我們的例子中代表熱阻抗,。在熱阻抗的曲線中，其表示溫差除以熱功耗的值,。因此,，圖4中的Z曲線表述了對于1W熱功耗的溫度改變。
熱阻抗曲線Zth總體來看比較平滑,，但局部還是有波動,，工程師需要解釋其中的原因。而且它是由大量密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)所構(gòu)成,，所以潛在的信息非常豐富,。集成先進(jìn)應(yīng)用數(shù)學(xué)且功能強(qiáng)大的熱測試系統(tǒng)可以提供非常有用的Zth 和時間曲線的分析變換。
Zth曲線圖中的數(shù)據(jù)使計(jì)算熱容和熱阻的總體曲線圖成為可能,，也就是著名的結(jié)構(gòu)函數(shù),。它是結(jié)點(diǎn)至環(huán)境熱流路徑中熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的圖形表示形式。結(jié)構(gòu)函數(shù)的形式與實(shí)際結(jié)點(diǎn)至環(huán)境熱流路徑保持一一對應(yīng)的關(guān)系,。元件的結(jié)點(diǎn)始終在圖形的原點(diǎn),。圖5中的圖形就描述了這一概念。
在LED元件中,，由半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量從它的自身開始傳遞,。結(jié)點(diǎn)被加熱，之后熱量通過許多熱阻,，同時加熱熱流路徑上的物體,。事實(shí)上，熱量通過的熱阻越多，更多的熱容被加熱,。
在圖5中,，最初的曲線非常陡峭，同時熱容被加熱,。這個曲線進(jìn)行了注解,，描述了LED/MCPCB，封固劑（導(dǎo)熱硅脂）和照明設(shè)備三個階段,。但在第一個階段內(nèi),，曲線描述了更小的一些階段，譬如Die attach,，散熱板,，甚至是緊固銅散熱板和MCPCB的膠水。注意這個圖形證實(shí)了早期的一個論點(diǎn),，那就是LED自身的熱阻占整個系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)至環(huán)境熱阻的50%,。
再次查看圖3，注意測量的僅僅是LED元件兩端的電壓,。系統(tǒng)是如何得到了整個照明設(shè)備的熱數(shù)據(jù)呢,？答案就是監(jiān)控和觀察溫度的下降曲線。
當(dāng)LED Die的溫度開始下降,，由于只有一個對其溫度有影響的物體直接連接著它,，它的溫度下降緩慢,。Die 溫度下降所需要的時間主要取決于熱容,，它可以存儲熱量。測試系統(tǒng)監(jiān)控溫度微小的改變,，并且將其變換為熱阻/熱容數(shù)據(jù)點(diǎn),，如果具有一樣的特性則會看到類似的曲線。所以對測試系統(tǒng)的靈敏度有很高的要求,。
從測試到模型
結(jié)構(gòu)函數(shù)幫助工程師評估整個散熱路徑中的各個部分,。重要的是它們可以幫助揭示設(shè)計(jì)中存在的問題，這些問題可能影響設(shè)備的生產(chǎn)或可靠性,。
結(jié)構(gòu)函數(shù)可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成簡化模型,，也就是一個包含熱阻熱容的等效網(wǎng)絡(luò)，它包含了結(jié)構(gòu)函數(shù)圖形中所包含的所有數(shù)值,。圖6描述了類似功率LED等半導(dǎo)體元件的一個通用模型,。當(dāng)然，實(shí)際的模型中R和C會有具體的數(shù)值,。
借助瞬態(tài)熱測試得到的R/C網(wǎng)絡(luò)模型可以直接被用于熱設(shè)計(jì)工具中,，在這些熱設(shè)計(jì)工具中對LED系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真。為了滿足市場對于它們產(chǎn)品更多熱性能數(shù)據(jù)的要求，一些半導(dǎo)體供應(yīng)商開始使用瞬態(tài)模型去描述它們功率開關(guān)和類似產(chǎn)品的熱性能,，這也為LED供應(yīng)商在將來也遵從這種做法提供了借鑒,。
光度測量揭示LED的真實(shí)顏色
先前所有的努力使照明設(shè)備達(dá)到投放到市場的端口。然而,，此時必須回答一個重要的問題：當(dāng)照明設(shè)備工作在它規(guī)定的溫度范圍內(nèi),，它預(yù)期發(fā)出多少光？在產(chǎn)品批量生產(chǎn)之前,，必須提供樣機(jī)完整的光度和輻射特性,。在現(xiàn)在自動化工具的幫助下，熱和光測量可以被同時進(jìn)行,。
為了同時進(jìn)行測量,，之前已經(jīng)解釋了熱測試必須與一個子系統(tǒng)相結(jié)合，這個子系統(tǒng)是滿足CIE1要求（參見備注）的條件下,，用于測試LED光輸出,。這個子系統(tǒng)包含了一個恒溫器（類似冷板）和探測器。兩個器件由特定的軟件進(jìn)行控制,。一個完全整合的熱/輻射/光度測試系統(tǒng)可以描述照明設(shè)備的熱阻和光輸出特性,，包括了輻射熱流（也就是輸出光功率），光通量和染色性,。這些值可以在不同的參考溫度和前向電流條件下,，同時得到測量。
重要的是,，對于普通循環(huán)光度測試增加熱瞬態(tài)測試不會明顯增加測試時間,。這是因?yàn)橘N附到冷板的功率LED結(jié)溫通常在30~60S之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。LED熱阻測試之前的加熱過程,，是一個相類似的過程,。因此，加上熱測試的測試時間與僅僅光輸出測試的時間是一樣的,；所有的這些特性必須在LED熱穩(wěn)定的條件下測量,。
溫度：參考，周圍的,，環(huán)境…
熱管理解決方案的結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻很容易受到環(huán)境溫度的影響,，從而使測試結(jié)果失真。因此當(dāng)預(yù)測照明設(shè)備熱性能時,，測試環(huán)境溫度也就是參考溫度必須注明,。但熱和光度/輻射測量被同時完成時，參考溫度就是冷板的溫度,。
正如之前的解釋,，LED特性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作還在進(jìn)行,，這也意味著供應(yīng)商在描述它們產(chǎn)品和提供相關(guān)數(shù)據(jù)時有很大的自由度。通常環(huán)境方面的信息不會得到重視,。關(guān)于產(chǎn)品性能的數(shù)據(jù)可能是照明設(shè)備處于最佳照明時得到的,，可以說忽略了真實(shí)工作條件下的一些影響。例如,，通常供應(yīng)商提供的LED數(shù)據(jù)是在25oC的環(huán)境溫度條件下,，即便LED安裝在燈具中之后其安裝面的溫度為50oC，甚至80oC,。在工作狀態(tài)下,，實(shí)際的LED結(jié)溫可能處于80~100oC的范圍，從而引起光通量的急劇下降,。
在圖7a中顯示了兩個同一廠商的兩個白色LED光通量和參考溫度的關(guān)系,，這兩個LED具有不同的散熱方式。散熱方式1使用了一塊金屬的PCB板,，而散熱方式2使用了傳統(tǒng)的FR4板,。此外，兩個LED樣品的PCB板和散熱器之間使用了不同的導(dǎo)熱界面材料,。
得到光通量和參考溫度的測試方法非常簡單,。測試時冷板直接影響LED的結(jié)溫。因此,，通過改變冷板的溫度,，可以觀察結(jié)溫變化對于光通量的影響。
圖7a中的兩個LED曲線并不完全平行,。因?yàn)闇y試是基于同一類型的LED,，所以人們可能希望兩個LED的性能是一致的。然而,，請注意光通量和參考溫度的曲線圖,。采用的導(dǎo)熱界面材料有著不同的溫度影響,，從而對LED結(jié)溫產(chǎn)生不同的影響,。不同冷板溫度下的結(jié)構(gòu)函數(shù)可以進(jìn)一步揭示這些影響的程度和產(chǎn)生位置。
很多的測試工作都是關(guān)于確定加熱功耗和每一個參考溫度下的熱阻值,。如果具有這些信息,，就可以計(jì)算相應(yīng)的LED結(jié)溫值。如果沒有進(jìn)一步的測試要求,。工程師可以使用之前的信息,，重新繪制LED結(jié)溫與光通量之間的關(guān)系。
基于真實(shí)的LED結(jié)溫,，重新繪制曲線將消除光通量曲線斜率的偏差,。圖7b描述了一組光通量和結(jié)溫的曲線,，并且這里的真實(shí)結(jié)溫通過真實(shí)的加熱功率和真實(shí)的熱阻進(jìn)行計(jì)算得到。現(xiàn)在對于同一供應(yīng)商的所有LED樣品,，由前向電流值獲得的特性斜率是一致的,。光通量微小的偏差相當(dāng)于通常的制造誤差。
靜態(tài)測量,，光度測量和累計(jì)球
描述偏色等重要參數(shù)不僅僅要求電流和熱測試,，而且需要一個完全可控的小型“黑腔”。非常明顯,，不讓外部的光影響敏感的波長讀數(shù)是非常重要的,。
最簡單的LED熱阻抗測量方式是使用四線“Kelvin”測試裝置的靜態(tài)測試方法。首先是LED處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下,，設(shè)定產(chǎn)生需要加熱電流（IH）等級的前向電流（IF）,，恒定的加熱電流是LED溫度達(dá)到一個穩(wěn)定值，從而產(chǎn)生恒定的光通量,。
在JEDEC JESD51-1標(biāo)準(zhǔn)定義的靜態(tài)測試條件下,，一旦LED處于熱的狀態(tài)，它的前向電流突然降低到一個非常低的測量電流水平,，IM（表格1中第2步）,。事實(shí)上LED被關(guān)閉，產(chǎn)生了一個負(fù)的功率,。在這個階段,，測量相應(yīng)的電壓（表格1第3步）。從LED的前向電壓改變推算LED結(jié)溫的改變,。
注意,，當(dāng)PN結(jié)前向電流突然被停止（在測試過程中），不可避免的發(fā)生電瞬態(tài)現(xiàn)象,。這個瞬態(tài)現(xiàn)象會持續(xù)很短的一段時間,，在這段時間內(nèi)前向電壓的改變無法描述LED芯片的溫度的改變。因此,，在進(jìn)行測量時必須給電瞬態(tài)現(xiàn)象消失留有一個時間上的延遲,。
圖8歸納了變量之間的相互影響
Mentor Graphics 公司MicReD 部門的TERALED熱/輻射測量系統(tǒng)就是用于LED輻射和光度特性測量的。它的研發(fā)目的就是為剛才所提及的靜態(tài)測試提供完整的解決方案,。當(dāng)將它連接到T3Ster系統(tǒng),，TERALED可以完成熱瞬態(tài)測試，從而提供結(jié)構(gòu)函數(shù),，簡化模型和熱特性數(shù)據(jù),，同時也獲得光度特性數(shù)據(jù)。
TERALED系統(tǒng)包含了各類部件,，這些部件是獲得精確,，重復(fù)性好的LED重要參數(shù)所必須的：
高精度的探測器和參考光源
具有高精度V過濾器的濾波器組合,，以提供光通量測量
具有平坦光譜響應(yīng)的過濾器，以測量輻射通量（發(fā)射的光功率）
3個CIE光X-Y顏色坐標(biāo)直接測量的過濾器
1個溫度穩(wěn)定的溫度探頭
1個累計(jì)球（“黑腔”）
當(dāng)TERALED以單機(jī)模式使用時,，它可以完成光度測量,。當(dāng)結(jié)合T3Ster系統(tǒng)時可以進(jìn)行熱和光度測量。圖9是TERALED和T3Ster系統(tǒng)一起使用的簡圖,。
結(jié)論：熱,，光和成本的平衡
每一個成功的LED照明設(shè)備背后都蘊(yùn)藏著設(shè)計(jì)師在功率LED溫度和熱損耗要求方面做出的很多努力。這些重要的因素影響產(chǎn)品的壽命和它的發(fā)光特性,。一個工作溫度低,，且發(fā)出滿足要求光的照明設(shè)備可以在終端用戶那里更長時間的工作。
MicRED T3Ster自動熱測試系統(tǒng)可以快速完成熱阻測量和預(yù)測照明設(shè)備內(nèi)熱量傳遞的路徑,。并且T3Ster和TERALED結(jié)合的熱和輻射/光度測量系統(tǒng)可以得到照明設(shè)備工作溫度,，光性能和成本之間的完美平衡。
關(guān)于Mentor Graphics Mechanical Analysis Division
Mentor Graphics公司Mechanical Analysis Division （原Flomerics公司）是全球領(lǐng)先的包含熱流工程設(shè)計(jì)過程的計(jì)算機(jī)仿真公司,。通過提供仿真軟件和在建立樣機(jī)之前的咨詢服務(wù),，客戶可以減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，降低產(chǎn)品成本,，加快和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì),。使用先進(jìn)的計(jì)算流體動力學(xué)軟件，我們幫助客戶提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)效率,，節(jié)省可觀的時間和金錢,。更多的信息，請?jiān)L問 www.mentor.com/mechanical 或聯(lián)系：
1. CIE：國際發(fā)光照明委員會的技術(shù)報(bào)告127“2007 encompasses measurement standards and quantities expressing LED perform”
仿真節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計(jì)時間
現(xiàn)在絕大多數(shù)的工程和設(shè)計(jì)領(lǐng)域,，工程師在產(chǎn)品概念和驗(yàn)證階段使用仿真軟件可以加快產(chǎn)品研發(fā)和獲得更好的設(shè)計(jì)建議,。Mentor Graphics的FloEFD被證明是一款加快和簡化LED照明和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的熱仿真軟件。工程師使用軟件的“What-if”功能就可以驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念,，而不需要制作昂貴的物理樣機(jī),。任何內(nèi)外部溫度和熱流的問題都可以被快速和精確地評估。