模组内部灯条LED真实热阻模拟测试系统研究与分析

0   引言

随着科学技术的发展以及能源的日益紧缺，半导体照明的研究获得了很大的进步，而半导体产品具有功耗低、使用寿命长和响应时间短等众多优势和发展潜力，已呈现逐渐取代传统照明产品的趋势[1]。LED是半导体照明中的关键器件，由于功率越来越大，大功率LED的耗散功率会导致LED芯片PN 结结温上升，从而显著地影响LED的光度、色度和电气参数，甚至可能导致器件失效[2-4]。因此，在LED的整机、模组应用中，如电视模组，会优先考虑热阻小，结温低的LED。与此同时，整机模组厂商不仅关注单个LED热阻和结温测量，更关注的是在整机或者模组状态下内部灯条LED的真实热阻，以便为模组可靠性设计提供有力支撑。

目前行业测量LED热阻比较通用、靠谱的方法是电学参数法，使用T3ster设备，T3Ster基于先进的JEDEC ‘Static Method’测试方法（JESD51-1），通过改变电子器件的输入功率，使器件产生温度变化，但该设备仅能测量尺度约在30 mm以内的小模块的LED热阻，无法评价整机或模组状态下的LED热阻（如常用的32寸到65寸模组）。因此，本文研究内容的原理基于电学参数方法，并在此基础上利用“焊脚温度、环境温度”等效法，该方法可以真实可靠地模拟模组内部灯条LED的热阻特性。

1   测试原理

LED是一种半导体器件，主要以热阻来表征其本身的热学特性。在热平衡的条件下，2个规定点（或区域）温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比值称为热阻，用Rth表示，它表征了LED的散热能力。热阻计算公式如下：

Rth=（Tj-Ts）/P       （1）

其中，Tj 为稳定时待测LED的结温；Ts为稳定环境的参考点温度；P是待测LED在热传导通道上的耗散功率，Rth为待测LED P-N结到指定参考点(S点)之间的热阻。通过式（1）可知，结到测试点Ts的热阻，可由两者之间的结温与耗散功率比值得到。很多研究已经表明，热阻（结到焊脚Ts)，与环境温度、PCB设计、散热材质均强相关，本文研究基于电学参数方法测试原理，采用的热阻等效方法，利用“焊脚温度、环境温度”等效，通过设计相应的PCB规格，使T3ster热阻测试仪可测量的待测LED模块的焊脚及环境温度，与真实模组或整机状态里的LED焊脚及环境温度相当，利用该模块测得的热阻等效为模组或整机状态里的LED热阻。其中，被测模块与整机/模组原始灯条LED具有相同的环境温度、LED规格、散热材质、驱动电流及相同的焊脚温度，因此用被测模块热阻等效原始整机/模组原始灯条LED热阻。

2   测试系统的构成

本文研究的测试系统组成框架如图1所示，主要由电流测试仪、整机或者模组、温度测试仪和T3ster设备组成。在整机或者模组点亮状态下，通过电流测试仪测试电路中的驱动电流，从而确定通过灯条上LED的电流；T3ster设备测试整机或者模组内部的灯条LED热阻；温度测试仪测试在整机或者模组点亮状态下内部的环境温度和测试LED的焊脚温度，从而确定T3ster设备上设置的环境温度和LED的焊脚温度。

图1系统构成

3   测量方法与步骤

1)在点亮状态下，测试模组灯条的实际工作电流IF；

2)选取模组中温升最高的LED（一般靠近电源板位置），在煲机2 h后测试该LED的焊脚温度Ts1和模组内部环境温度Ta1；

3)截断该灯条上的LED，记录尺寸为L1，接好连接线，放置在T3ster的恒温槽；

4)设置恒温槽的温度为Ta2，Ta1=Ta2，测试电流为IF。在温度Ta2稳定后，记录该LED温升为Ts2；

5)对比Ts1和Ts2，当Ts1＞Ts2，则继续缩小灯条PCB板的尺寸，直至Ts1=Ts2；

6)当满足Ta1=Ta2，Ts1=Ts2后，测试该尺寸长度的LED的K系数和降温曲线，再对降温曲线提取结构函数，进行积分结构和微分结构，从结构函数中自动分析出该LED的热阻；

(7)测试该LED的热阻，即等效该LED在模组状态下的热阻。

4   测试过程

本次测试采用43英寸电视模组，首先点亮43英寸模组，用电流测试仪TDS3032B设备连接线夹住灯条线，记录43英寸模组的电流为492 mA。拆开该43英寸模组，选择温升最高的LED（一般靠近电源板位置），在刮去该LED的灯条PCB铜箔，使该LED与其他LED断开单独控制，再用导线把其他LED连接起来，同时把单独控制的LED负极连接温度测试仪的探头1，测试焊脚温度Ts1，另一个探头2放置在该LED附近，测试环境温度Ta1，如图2所示。装好43英寸模组，用直流源单独点亮该LED，其余正常电源板点亮，煲机2 h后，记录探头1和探头2对应的焊脚温度Ts1和Ta1分别为59.9 ℃、50.3 ℃。把43英寸模组测试的LED取出，连接导线，记录尺寸L2为14 mm×17 mm，放在T3ster设备的恒温槽内，如图3。设置槽内温度为Ta2=Ta1=50.3 ℃，测试电流为492 mA，一段时间后记录此时的LED焊脚温度Ts2为58.9 ℃。由于Ts2＜Ts1，继续缩小PCB的尺寸，当尺寸L3为14 mm×10 mm，得到的Ts3为60.3 ℃。此时焊脚温度Ts3与在43英寸模组内部测试的焊脚温度Ts1接近，且环境温度相同，Ta2=Ta1=Ta3=50.3 ℃，则测试该尺寸L3的LED在不同环境温度下的电压值，如图4，由式（2）得到K系数：

K =ΔT/ΔVF          （2）

然后设置环境温度为Ta2=Ta1=Ta3=50.3 ℃，输入测试电流492 mA，一定时间后达到热平衡，设置电流为1 mA，实现快速降温，同时得出降温曲线，如图5。通过TSP（温度敏感参数）获得LED的瞬态温度变化曲线，即将K因子关系代入电压变化以获得瞬态温度变化曲线，对冷却曲线进行数值处理并提取结构函数，得到了微分结构曲线和积分结构曲线，如图6和图7，从曲线看出，一共有5个明显的峰，代表5个不同位置的热阻，从左到右分别为PN结内部的热阻、结到固晶层的热阻、结到焊盘的热阻、结到PCB的热阻、结到环境的热阻，如图8。我们测试的位置是灯条的LED负极焊脚S点，因此，第3个峰结到焊盘的热阻就是我们需要测试的结果，从而得出尺寸为L2和L3时对应的热阻为8.38 K/W和8.96 K/W，并在测试过程中得出电压、Tj等参数。当尺寸为L3时，43英寸模组内部和恒温槽内环境温度Ta相同，且焊脚温度Ts基本一致，此时尺寸L3的热阻值可以等效为在43英寸模组内真实的热阻。

图2 模组内LED连接示意图

图3 恒温槽内LED连接示意图

图4 瞬态温度响应曲线（K系数）

图5 样品冷凝曲线（降温曲线）

图6 由K系数和冷凝曲线获得瞬态温度曲线

图7 代入结构函数得到L2和L3尺寸对应的热阻

图8 LED不同位置热阻示意图

5   实验数据及分析

通过上述的测试方法，得出43英寸模组内灯条LED的热阻及相关光学参数，同样的方式测得32英寸模组、50英寸模组、55英寸模组和65英寸模组，数据如表1。

表1 各种尺寸模组的数据

上述表中的环境温度Ta，与模组内部的灯条数量及排布有很大关系，43UHD模组空间小，灯条数量多，因此模组内的环境温度比其他尺寸模组大，对应的焊脚温度Ts、结温Tj和热阻也大。

根据表中热阻的测试结果，理论计算公式Rth =（Tj -Ts）/P，式中的Tj、Ts和P=IV可在测试过程中得出，推算理论热阻是否与实验结果接近。如43UHD模组中，当PCB尺寸为14 mm×10 mm时，环境温度和焊脚温度基本一致，实验测试的热阻为8.96 K/W，实验过程可知Tj=74.3 ℃、Ts=60.3 ℃、P=IV= 1.509 2 W，则可得热阻为9.14 K/W，实验测试值与理论计算值接近。

6   结语

基本电学参数法测试LED的原理，利用“焊脚温度、环境温度”等效，通过设计相应的PCB规格，使T3ster热阻测试仪可测量的待测LED模块的焊脚及环境温度，与真实模组或整机状态里的LED焊脚及环境温度相当，该模块测得的热阻即可等效为模组或整机状态里的LED热阻。本实验结果证实上述方法可行并具有较高的可信度，通过这种等效的办法，可以解决T3ster设备无法评价整机或模组状态下的LED热阻，真实还原在模组、整机内LED热阻发热状态，提高整机、模组LED寿命评价方法的准确性、科学性，提升可靠性。

参考文献：

[1] HELIOTOTIS G，STAVRINOUS P N，BRADLEY D D C.Spectral conversion of InGaN ultraviolet microcavity light-emitting diodes using fluorine-based red，green-，blue- and white-light-emitting polymer overlayer films [J] .Appl.Phys.Lett.，2005，87：503-505.

[2] 王建，黄先，刘丽，等.温度和电流对白光LED发光效率的影响[J].发光学报，2008，29(2)：358-363.

[3] 刘一兵，丁洁.功率型LED封装技术[J].液晶与显示，2008，23(4)：508-512.

[4] 陈明祥，马泽涛，刘胜.LED感应局部加热封装试验研究[J].发光学报，2007，28(2)：241-246.

[6] International Organization for Standardization.MIL-STD-750D Notice 3 Method 3101.3 Thermal Impedance(Response)Testing of Diodes[S].2006.

[7] 中华人民共和国信息产业部.SJ 20788-2000半导体二极管热阻抗测试方法[S].北京：电子工业出版社，2000.

（本文来源于《电子产品世界》杂志社2020年12月期）