大功率LED结温测试及其在封装热管理中的应用研究

大功率发光二极管(LED)由于其节能和长寿命被作为新型固态光源广泛应用于各行各业中。虽然近来LED流明效率在不断提高,仍有约70%的电功率转换为热能,结温和热阻已成为制约LED发展和应用的瓶颈。芯片在高热流密度作用下结温快速增高,加速了LED光电特性的恶化。同时,封装材料特性也会在高结温下迅速衰减,引起器件失效。因此,为实现LED的高可靠性,结温必须得到有效监测。精确测试LED结温对大功率LED的发展至关重要。本论文围绕大功率LED的结温测试及其在封装热管理中的应用问题进行研究并取得了以下成果： 对动态结温测试系统进行开发,分析了不同结温测试方法。采用LED前向压降和其结温之间的函数关系做温度传感参数进行设计。通过实验论证了不同PN结温度下,LED前向电压的变化曲线特征,提出对K系数进行分段拟合的标准。设计了脉冲控制调制电路快速切换两路不同工作范围的恒流源,实现了对大功率LED动态结温测试曲线的实时采集,同时给出了结温测试系统的可靠性设计和系统的抗干扰性分析和处理。研制的LED动态结温测试系统结构紧凑、便携且功耗低,能用于工业现场进行在线测试,其测试精度为0.1℃,测试误差控制在1%。 对结温测试仪内部参数进行了分析,对TSP传感参数,测试电流IM,测试电流作用时间,采样脉冲宽度,切换时间与采样延时等指标的选取范围做了分析和限定。测试并分析仪器中三个主要误差来源：仪器标定误差、K系数标定误差和采样延时引起的误差,通过对大功率LED模块进行有限元法建模得到电流切断瞬间结温的下降幅度。对测试得到的数据分别与热电偶、热阻测试仪和红外热像仪的测试数据进行对比验证,其结果具有较好的一致性。 提出了大功率LED暂态结温的预测模型来扩展结温测试仪的测试范围,缩短测试时间,避免由高功率工作条件下的噪声引起的测试误差。构建了LED封装5层的等效热阻热容网络模型,并对其进行简化求解及误差分析,通过测试小电流下的动态结温曲线,获取LED模型散热通道上的各层热阻热容参数,并通过结温预测模型求解得到任意电流下的动态结温值。 将结温测试用于不同LED芯片结构中,分析沿散热通道的等效热阻,得出其对稳态结温值的影响很小,通过瞬态结温温升快慢判断芯片散热结构好坏。对当前四种LED主流的封装形式进行测试,发现小尺寸的CoB封装形式LED模块有最小的稳态结温,这是因为它有最薄的基板厚度,且基板为陶瓷材料,有较好的导热系数。实测的稳态结温差值能很好的与理论值相吻合。在LED可靠性试验中监测LED老化过程中的结温,分析结温变化趋势引起的LED衰减机制和失效模式,通过常温下的老化试验测试,提出通过在线测试的方法提高可靠性数据的准确性,设计集成光、热、电学参数的大功率LED可靠性设备,并分析设计方案的合理性。