1 概述
LED的熱學(xué)特性主要包括LED結(jié)溫、熱阻、瞬態(tài)變化曲線(加熱曲線、冷卻曲線)等。結(jié)溫是指LED的PN結(jié)溫度，熱阻是指LED散熱通道上的溫度差與該通道上的耗散功率之比，用于表征LED的散熱能力，研究表明，LED的熱阻越低其散熱性能越好，相應(yīng)的LED光效一般也越高，壽命越長(zhǎng)。檢測(cè)熱學(xué)特性的關(guān)鍵在于對(duì)LED結(jié)溫的準(zhǔn)確測(cè)量，現(xiàn)有的對(duì)LED結(jié)溫的測(cè)試一般有兩種方法：一種是采用紅外測(cè)溫法測(cè)得LED芯片表面的溫度并視其為L(zhǎng)ED的結(jié)溫，但是準(zhǔn)確度不夠;另一種是通過(guò)溫度敏感參數(shù)(temperature-sensitive parameter，簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)SP)獲取PN結(jié)溫，這是目前較普遍的LED結(jié)溫測(cè)試方法，其技術(shù)難點(diǎn)在于對(duì)測(cè)試設(shè)備要求較高。
LED的壽命主要表現(xiàn)為它的光衰，通常把LED光輸出衰減到初始光輸出的70%或50%作為判斷壽命失效的指標(biāo)，即光通量維持壽命。但由于LED是高可靠性器件，壽命一般都會(huì)超過(guò)幾千小時(shí)甚至是一萬(wàn)多小時(shí)，直接測(cè)量等待光衰到指定值的做法在工業(yè)上的應(yīng)用十分困難。
2 LED熱學(xué)特性測(cè)試
2.1 LED結(jié)溫和熱阻的測(cè)量
美國(guó)EIA/JESD51 《Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages 》系列標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)SJ20788-2000 《半導(dǎo)體二極管熱阻抗測(cè)試方法》、GB/T4023-1997《半導(dǎo)體器件分立器件和集成電流 第2部分：整流二極管》、QB/T 4057-2010《普通照明用發(fā)光二極管 性能要求》等國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)都較為詳細(xì)地介紹了通過(guò)溫度敏感參數(shù)TSP測(cè)量結(jié)溫和熱阻的方法。對(duì)于LED，TSP為PN結(jié)兩端的正向電壓。在確定電流下，LED的正向偏壓與結(jié)溫之間近似成反比關(guān)系，由此可得到結(jié)溫的變化為：
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式(1)中K為溫度敏感系數(shù)，由下式可到：
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式(2)中，VL為低結(jié)溫TL(如25℃)時(shí)LED在測(cè)量電流IM(小電流)下的正向電壓，VH為高結(jié)溫TH(如100℃)時(shí)LED在測(cè)量電流IM下的正向電壓。
LED結(jié)溫測(cè)量的時(shí)序如圖1所示：
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圖1(a) 電流時(shí)序圖 圖1(b)電壓時(shí)序圖
1)首先對(duì)LED正向施加測(cè)試電流IM，測(cè)量正向結(jié)電壓VFI;
2)用加熱電流IH取代IM加到待測(cè)LED兩端，加熱一定時(shí)間(tH)待LED達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)量所測(cè)LED散熱通道上的熱耗散功率(PH);
3) 再用IM迅速取代IH加到待測(cè)LED兩端，并測(cè)得正向結(jié)壓降(VFF);
4) 計(jì)算LED的結(jié)溫和熱阻：
根據(jù)上述原理，結(jié)溫計(jì)算公式為：
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熱阻計(jì)算公式為：
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式(3)中， 為初始溫度，式(4)中 為散熱通道上指定點(diǎn)的溫度，例如，環(huán)境溫度或外殼溫度。對(duì)于LED，輸入的電功率一部分用于LED發(fā)光，另一部分產(chǎn)生熱量，而熱耗散功率PH往往很難從總輸入電功率中區(qū)分出來(lái)，因此為方便和簡(jiǎn)化測(cè)量，QB/T 4057-2010提出了“參考熱阻”的概念，即使用輸入總功率替代式(4)中的熱耗散功率。 “參考熱阻”由于測(cè)量方便，復(fù)現(xiàn)性好，得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。
在加熱電流IH 作用下，監(jiān)視LED的結(jié)溫上升過(guò)程，獲取加熱曲線也很有意義，圖2所示為典型的加熱曲線，它不僅能夠判斷LED是否達(dá)到熱平衡，而且對(duì)于LED的結(jié)構(gòu)和散熱能力分析有具有參考作用。
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圖2加熱曲線
獲取加熱曲線的技術(shù)難點(diǎn)在于測(cè)試電流與加熱電流切換時(shí)間必須要足夠短，并且瞬態(tài)數(shù)據(jù)的采集必須非常迅速。切換時(shí)間和數(shù)據(jù)采集時(shí)間一般要達(dá)到幾到十幾微秒，否則不能反映出LED結(jié)溫的實(shí)際變化過(guò)程，導(dǎo)致最終測(cè)試出的熱阻被大幅低估。