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LED 的电学、热学及光学特性研究

导读: LED 的发光性能不仅和其电学特性相关,还受其结温影响。因此,通过实际测试和仿真工具来研究其散热性能及热管理方法在 LED 的设计过程中十分重要。本文对 LED 的电学、热学及光学特性进行了协同研究。在仿真方面,完成了一个板级系统的电-热仿真;在测试方面,讨论了一个热-光联合测试系统的应用。

  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)。

  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。

  对于稳态建模来说,封装的散热特性可以通过 RthJC,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 RthJC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

  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 RthJC 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RthJC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。

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