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来源:维库发布时间:2011-02-22
询问 AI必须清楚地了解LED内部从PN结到环境的热特性，从而确保得到一个安全，可靠的设计和令人满意的性能。在热流路径中可能有裸芯片或胶层等多个导热界面，并且它们的厚度和热阻很难在生产过程中进行控制。此外，在LED封装和作为散热器的照明设备外壳之间的导热界面进一步增加了设计的挑战性。必须在样机阶段尽可能早地了解LED的热阻值。
电流，颜色和效能
LED的光输出特性主要取决于其工作条件。前向电流增加会使LED产生更多的光。但当前向电流保持不变，光输出会随着LED的温度升高而下降。图1描述了温度，电流和光输出的关系。并且描述了一个LED相关的颜色光谱在峰值波长处的偏移。用于普通照明的单色LED，蓝色光谱的峰值会发生偏移，因此改变了LED所谓的色温。这会对LED照明空间内的感官产生影响。
热量从LED封装芯片开始传递，相关的数据由供应商提供。图2 中显示的是常见的导热结构。一个LED灯大约50%的结点至环境的热阻由LED封装所引起。
测量：温度比光通量更重要
假设LED的温度与其两端的前向电压降成线性关系。因此，通过观察电压降可以精确地推算出温度的变化。为了很好地进行这个测试，测试系统的硬件和软件必须满足一定的要求。 例如Mentor Graphics的MicReD商业自动化测试系统就是满足此类要求的典型设备。
在电子行业，术语“Z”代表阻抗，在我们的例子中代表热阻抗。在热阻抗的曲线中，其表示温差除以热功耗的值。因此，图4中的Z曲线表述了对于1W热功耗的温度改变。
Zth曲线图中的数据使计算热容和热阻的总体曲线图成为可能，也就是着名的结构函数。它是结点至环境热流路径中热阻抗网络模型的图形表示形式。结构函数的形式与实际结点至环境热流路径保持一一对应的关系。元件的结点始终在图形的原点。图5中的图形就描述了这一概念。
在图5中，最初的曲线非常陡峭，同时热容被加热。这个曲线进行了注解，描述了LED/MCPCB，封固剂（导热硅脂）和照明设备三个阶段。但在第一个阶段内，曲线描述了更小的一些阶段，譬如Die attach，散热板，甚至是紧固铜散热板和MCPCB的胶水。注意这个图形证实了早期的一个论点，那就是LED自身的热阻占整个系统结点至环境热阻的50%。
再次查看图3，注意测量的仅仅是LED元件两端的电压。系统是如何得到了整个照明设备的热数据呢？答案就是监控和观察温度的下降曲线。
当LED Die的温度开始下降，由于只有一个对其温度有影响的物体直接连接着它，它的温度下降缓慢。Die 温度下降所需要的时间主要取决于热容，它可以存储热量。测试系统监控温度微小的改变，并且将其变换为热阻/热容数据点，如果具有一样的特性则会看到类似的曲线。所以对测试系统的灵敏度有很高的要求。
从测试到模型
结构函数帮助工程师*估整个散热路径中的各个部分。重要的是它们可以帮助揭示设计中存在的问题，这些问题可能影响设备的生产或可靠性。
结构函数可以进一步转变成简化模型，也就是一个包含热阻热容的等效网络，它包含了结构函数图形中所包含的所有数值。图6描述了类似功率LED等半导体元件的一个通用模型。当然，实际的模型中R和C会有具体的数值。
光度测量揭示LED的真实颜色
先前所有的努力使照明设备达到投放到市场的端口。然而，此时必须回答一个重要的问题：当照明设备工作在它规定的温度范围内，它预期发出多少光？在产品批量生产之前，必须提供样机完整的光度和辐射特性。在现在自动化工具的帮助下，热和光测量可以被同时进行。
为了同时进行测量，之前已经解释了热测试必须与一个子系统相结合，这个子系统是满足CIE1要求（参见备注）的条件下，用于测试LED光输出。这个子系统包含了一个恒温器（类似冷板）和探测器。两个器件由特定的软件进行控制。一个完全整合的热/辐射/光度测试系统可以描述照明设备的热阻和光输出特性，包括了辐射热流（也就是输出光功率），光通量和染色性。这些值可以在不同的参考温度和前向电流条件下，同时得到测量。
重要的是，对于普通循环光度测试增加热瞬态测试不会明显增加测试时间。这是因为贴附到冷板的功率LED结温通常在30~60S之内达到稳定。LED热阻测试之前的加热过程，是一个相类似的过程。因此，加上热测试的测试时间与仅仅光输出测试的时间是一样的；所有的这些特性必须在LED热稳定的条件下测量。
温度：参考，周围的，环境…
热管理解决方案的结点至环境的热阻很容易受到环境温度的影响，从而使测试结果失真。因此当预测照明设备热性能时，测试环境温度也就是参考温度必须注明。但热和光度/辐射测量被同时完成时，参考温度就是冷板的温度。
在图7a中显示了两个同一厂商的两个白色LED光通量和参考温度的关系，这两个LED具有不同的散热方式。散热方式1使用了一块金属的PCB板，而散热方式2使用了传统的FR4板。此外，两个LED样品的PCB板和散热器之间使用了不同的导热界面材料。
得到光通量和参考温度的测试方法非常简单。测试时冷板直接影响LED的结温。因此，通过改变冷板的温度，可以观察结温变化对于光通量的影响。
图7a中的两个LED曲线并不完全平行。因为测试是基于同一类型的LED，所以人们可能希望两个LED的性能是一致的。然而，请注意光通量和参考温度的曲线图。采用的导热界面材料有着不同的温度影响，从而对LED结温产生不同的影响。不同冷板温度下的结构函数可以进一步揭示这些影响的程度和产生位置。
很多的测试工作都是关于确定加热功耗和每一个参考温度下的热阻值。如果具有这些信息，就可以计算相应的LED结温值。如果没有进一步的测试要求。工程师可以使用之前的信息，重新绘制LED结温与光通量之间的关系。
静态测量，光度测量和累计球
描述偏色等重要参数不仅仅要求电流和热测试，而且需要一个完全可控的小型“黑腔”。非常明显，不让外部的光影响敏感的波长读数是非常重要的。
最简单的LED热阻抗测量方式是使用四线“Kelvin”测试装置的静态测试方法。首先是LED处于稳态状态下，设定产生需要加热电流（IH）等级的前向电流（IF），恒定的加热电流是LED温度达到一个稳定值，从而产生恒定的光通量。
在JEDEC JESD51-1标准定义的静态测试条件下，一旦LED处于热的状态，它的前向电流突然降低到一个非常低的测量电流水平，IM（表格1中第2步）。事实上LED被关闭，产生了一个负的功率。在这个阶段，测量相应的电压（表格1第3步）。从LED的前向电压改变推算LED结温的改变。
注意，当PN结前向电流突然被停止（在测试过程中），不可避免的发生电瞬态现象。这个瞬态现象会持续很短的一段时间，在这段时间内前向电压的改变无法描述LED芯片的温度的改变。因此，在进行测量时必须给电瞬态现象消失留有一个时间上的延迟。
图8归纳了变量之间的相互影响。
TERALED系统包含了各类部件，这些部件是获得精确，重复性好的LED重要参数所必须的：
高精度的探测器和参考光源
具有高精度V过滤器的滤波器组合，以提供光通量测量
具有平坦光谱响应的过滤器，以测量辐射通量（发射的光功率）
3个CIE光X-Y颜色坐标直接测量的过滤器
1个温度稳定的温度探头
1个累计球（“黑腔”）
当TERALED以单机模式使用时，它可以完成光度测量。当结合T3Ster系统时可以进行热和光度测量。图9是TERALED和T3Ster系统一起使用的简图。
每一个成功的LED照明设备背后都蕴藏着设计师在功率LED温度和热损耗要求方面做出的很多努力。这些重要的因素影响产品的寿命和它的发光特性。一个工作温度低，且发出满足要求光的照明设备可以在终端用户那里更长时间的工作。
MicRED T3Ster自动热测试系统可以快速完成热阻测量和预测照明设备内热量传递的路径。并且T3Ster和TERALED结合的热和辐射/光度测量系统可以得到照明设备工作温度，光性能和成本之间的完美平衡。
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2026-06-15
