LED的电学、热学及光学特性研究

1. 简介

　　众所周知，LED的有效光辐射（发光度和/或辐射通量）严重受其结温影响（如图一所示，数据来源于Lumileds Luxeon DS25 的性能数据表）。

图1：一组从绿光到蓝光以及白光的LED 有效光辐射随结温的变化关系

　　单颗LED 封装通常被称为一级LED，而多颗LED 芯片装配在同一个金属基板上的LED 组件通常被称为二级LED。当二级LED 对光的均匀性要求很高时，结温对LED 发光效率的影响这个问题将十分突出[1]。

　　文献[2]中提到，可以利用一级LED 的电、热、光协同模型来预测二级LED 的电学、热学及光学特性。前提是需要对LED 的散热环境进行准确建模。

　　本文第2 节中我将讨论怎样通过实测利用结构函数来获取LED 封装的热模型，并将简单描述一下我们用来进行测试的一种新型测试系统。第3 节中，首先我们回顾了电-热仿真工具的原理，然后将此原理扩展应用到板级的热仿真以帮助优化封装结构的简化热模型。在文章的最后我们将介绍一个应用实例。

　　2. 建立LED 封装的简化热模型

　　关于半导体封装元器件的简化热模型（CTMs）的建立，学术界已经进行了超过10 年的讨论。现在，对于建立封装元器件特别是IC 封装的独立于边界条件的稳态简化热模型（CTMs），大家普遍认同DELPHI 近似处理方法[3][4][5]。为了研究元器件的瞬态散热性能，我们需要对CTM 进行扩展，扩展后的模型称之为瞬态简化热模型（DCTMs）。欧盟通过PROFIT 项目[7]制定了建立元器件DCTM 的方法，并且同时扩展了热仿真工具[6]的功能以便能够对DCTM 模型进行仿真计算。

　　当CTM 应用在特定的边界条件下或者封装元器件自身仅有一条结-环境的热流路径，则可以用NID（热阻网络自定义）方法[8]来对元件进行建模。

　　2.1 直接利用测试结果建立LED 封装的模型

　　仔细研究一个典型的LED 封装及其典型的应用环境（图2），我们会发现，LED 芯片产生的热量基本上是通过一条单一的热流路径：芯片-散热块-MCPCB 基板，流出LED 封装的。

图2：二级LED 中的结-环境热流路径：LED 封装用胶固定于MCPCB 上

　　对于稳态建模来说，封装的散热特性可以通过thJC R ，即结-壳热阻来准确描述，结-壳热阻指的是从LED 芯片到其自身封装散热块表面之间的热阻。对于一级LED 来说，此热阻值可用热瞬态测试仪器按照双接触面法[9]进行测试来得到。

　　图3 和图4 所示的是thJC R 的另外一种测试方法。这种方法用两步测试完成了对一个二级LED 组件的测试工作，这两步的测试条件分别为：

　　第一种条件——直接把MCPCB 安装到冷板上

　　第二种条件——在MCPCB 与冷板之间添加一层很薄的塑料薄层

图3：积分结构函数：安装于MCPCB 的1W 红光LED 及其封装的4 阶热模型

图4：微分结构函数：安装于MCPCB 的1W 红光LED（点击图片查看原图）

　　由于铜和胶的导热系数不一样，从结构函数曲线上即可方便的读出thJC R 的值。同时，由于在第二种条件下加入的薄层材料会让测试曲线发生分离，通过分离点即可很方便的分辨出结-板之间的热阻值。如果需要建立LED 封装的瞬态热模型，则需要用一条合适的热阻特性曲线来代替固定的thJC R 热阻值来描述结-壳热流路径的散热特性。从热瞬态测试得出的结构函数可帮助实现瞬态热模型的建立。积分形式的结构函数即是一个完整的热阻热容网络图，这些热阻热容值准确的描述了结-环境热流路径的散热特性。对积分结构函数进行阶梯近似即可得到热流路径上不同物理结构的折算热阻和热容值。（在文献[8]中提到的基于NID 的模型生成方法，是在时间常数上进行的离散化。）

　　这种方法已经被成功用于生成堆叠芯片的模型生成[10]。这种封装中通常会有多条热流路径，当附加在封装表面的边界条件不同时，则不能把生成的阶梯型RC 模型认为是独立于边界条件的模型。

　　对于LED 来说，封装内部仅有一条热流路径，则阶梯型RC 模型可以作为描述LED 封装热性能的一种非常合适的模型。

　　下图所示为LED 在不同的实际散热环境下测得的结构函数图形，从图中可以看出，LED 的热模型是独立于边界条件的，改变测试环境（在我们的例子中：插入了塑料薄层材料）并不会影响描述封装内部详细散热性能的那部分结构函数。文献[11]中同样提到，改变一级LED 的热沉的表面接触特性并不会对热流路径上位于其之前的部分产生影响。因此，图3 所示的、在热流进入MCPCB 之前的一段热流路径的阶梯状模型，是适合于当我们做类似于图2 所示的二级LED 或者类似于图8 所示的LED 组件的板级热分析时，用来模拟单个LED 封装的散热热性的。文献[11]中还提到了封装级LED 的更详细的建模方法。

　　2.2 LED 的热-光协同测试

　　半导体器件的热瞬态测试基于的是电学的测试方法[12]。常规元器件的热阻（或者瞬态时的热阻特性曲线）可以用测得的元器件温升和输入的电能来计算得到。但是对于大功率LED 来说，这个方法并不适合，这是因为输入总电能的10~40%会转变为有效的可见光输出。也正是因为这样，我们在利用直接测试的方法去建立LED 封装的热模型时都需要把有效的可见光输出的能量去掉。为此，我们设计了一套如图5 所示的测试系统，用它可以实现LED 封装的热-光协同测试。

图5：连接到T3Ster 热瞬态测试仪的一套光测量系统（LED 安装于一个热电制冷片上）