大功率LED結(jié)溫測(cè)試及其在封裝熱管理中的應(yīng)用研究.pdf

1、大功率發(fā)光二極管(LED)由于其節(jié)能和長(zhǎng)壽命被作為新型固態(tài)光源廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。雖然近來(lái)LED流明效率在不斷提高,仍有約70％的電功率轉(zhuǎn)換為熱能,結(jié)溫和熱阻已成為制約LED發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。芯片在高熱流密度作用下結(jié)溫快速增高,加速了LED光電特性的惡化。同時(shí),封裝材料特性也會(huì)在高結(jié)溫下迅速衰減,引起器件失效。因此,為實(shí)現(xiàn)LED的高可靠性,結(jié)溫必須得到有效監(jiān)測(cè)。精確測(cè)試LED結(jié)溫對(duì)大功率LED的發(fā)展至關(guān)重要。本論文圍繞大功率LED的結(jié)

2、溫測(cè)試及其在封裝熱管理中的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行研究并取得了以下成果:
　　對(duì)動(dòng)態(tài)結(jié)溫測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā),分析了不同結(jié)溫測(cè)試方法。采用LED前向壓降和其結(jié)溫之間的函數(shù)關(guān)系做溫度傳感參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了不同 PN結(jié)溫度下,LED前向電壓的變化曲線特征,提出對(duì)K系數(shù)進(jìn)行分段擬合的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)了脈沖控制調(diào)制電路快速切換兩路不同工作范圍的恒流源,實(shí)現(xiàn)了對(duì)大功率LED動(dòng)態(tài)結(jié)溫測(cè)試曲線的實(shí)時(shí)采集,同時(shí)給出了結(jié)溫測(cè)試系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的抗干擾性分

3、析和處理。研制的LED動(dòng)態(tài)結(jié)溫測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、便攜且功耗低,能用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行在線測(cè)試,其測(cè)試精度為0.1℃,測(cè)試誤差控制在1％。
　　對(duì)結(jié)溫測(cè)試儀內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行了分析,對(duì)TSP傳感參數(shù),測(cè)試電流 IM,測(cè)試電流作用時(shí)間,采樣脈沖寬度,切換時(shí)間與采樣延時(shí)等指標(biāo)的選取范圍做了分析和限定。測(cè)試并分析儀器中三個(gè)主要誤差來(lái)源:儀器標(biāo)定誤差、K系數(shù)標(biāo)定誤差和采樣延時(shí)引起的誤差,通過(guò)對(duì)大功率LED模塊進(jìn)行有限元法建模得到電流切斷瞬間結(jié)溫的下降

4、幅度。對(duì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)分別與熱電偶、熱阻測(cè)試儀和紅外熱像儀的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,其結(jié)果具有較好的一致性。
　　提出了大功率LED暫態(tài)結(jié)溫的預(yù)測(cè)模型來(lái)擴(kuò)展結(jié)溫測(cè)試儀的測(cè)試范圍,縮短測(cè)試時(shí)間,避免由高功率工作條件下的噪聲引起的測(cè)試誤差。構(gòu)建了LED封裝5層的等效熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)模型,并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化求解及誤差分析,通過(guò)測(cè)試小電流下的動(dòng)態(tài)結(jié)溫曲線,獲取LED模型散熱通道上的各層熱阻熱容參數(shù),并通過(guò)結(jié)溫預(yù)測(cè)模型求解得到任意電流下的動(dòng)態(tài)結(jié)溫值。

5、
　　將結(jié)溫測(cè)試用于不同LED芯片結(jié)構(gòu)中,分析沿散熱通道的等效熱阻,得出其對(duì)穩(wěn)態(tài)結(jié)溫值的影響很小,通過(guò)瞬態(tài)結(jié)溫溫升快慢判斷芯片散熱結(jié)構(gòu)好壞。對(duì)當(dāng)前四種LED主流的封裝形式進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)小尺寸的CoB封裝形式LED模塊有最小的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫,這是因?yàn)樗凶畋〉幕搴穸?且基板為陶瓷材料,有較好的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)測(cè)的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫差值能很好的與理論值相吻合。在LED可靠性試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)LED老化過(guò)程中的結(jié)溫,分析結(jié)溫變化趨勢(shì)引起的LED衰減機(jī)制和失效模式