准确测量大功率LED热阻的新方法

准确测量大功率LED的热阻,关键是准确地确定LED的结温增量.首先利用正向电压法获得LED的结温;通过测量LED的降温曲线,计算获得LED稳定工作时底座的温度,从而得到LED的结温相对底座温度的增量.然后,再与注入电功率相除,即可得到准确的热阻.与常规方法相比,避免了直接测量LED底座温度中界面热阻的影响,使得测量LED的热阻更加准确、方便.该方法还可以用于测量贴片封装LED等常规方法难以测量的LED以及用于分析大功率LED二次封装时引入的热阻,为评价大功率LED的封装质量提供了一种有效的评测手段.     

大功率LED结温测量及发光特性研究

介绍了基于正向电压法原理自行研制的大功率LED结温测试系统,结温定量测量精度可达±0.5 ℃.利用该系统对不同芯片结构与不同封装工艺的大功率LED热阻进行了测量比较,并对不同结温的大功率LED发光特性进行了研究.结果表明,不同结构芯片温度-电压系数K明显不同;采用热导率更高的粘结材料和共晶焊工艺固定LED芯片,会明显降低封装层次引入的热阻.结温对光辐射功率有直接影响,若保持结温恒定,光辐射功率随电流增大线性增加;若保持外部散热条件不变,热阻大的芯片内部热量积累较快,导致结温上升速度更快,光效随电流增加而下降的趋势也更为严重.     

提高小功率白光LED热特性的新方法

在传统直插式LED封装方法的基础上,提出了一种在环氧树脂中添加氮化硼(BN)填料的改进LED封装工艺。测量了BN填料质量分数与导热系数的关系,利用有限元分析软件ANSYS分析和实验测试了采用改进封装工艺φ5 mm白光LED的芯片结温、热阻等参数,并与传统封装方法的白光LED进行比较。结果表明:采用改进封装结构φ5 mm白光LED结温比传统封装方法下降4.5℃,热阻下降了17.8%,同时提高了初始光通量,降低了光衰。     

如何确定大功率LED的工作电流

针对大功率LED应用,建立了大功率LED的热阻模型,分析了环境温度、器件的最大允许结温、热阻以及输入电流之间的关系,提出了一种保证器件结温低于容许最大结温的工作电流的确定方法,并给出了一个应用本方法绘制某大功率LED工作电流与环境温度的关系曲线的实例．本方法对大功率LED应用具有重要的指导意义。     

基于相对辐射强度的非接触式LED结温测量法

提出了一种新的非接触式发光二极管(LED)结温测量的相对辐射强度法。利用该方法对不同功率、不同封装材料、不同颜色的LED进行结温测量,并与正向电压法测得的结果进行比较。结果表明,相对辐射强度法能准确地确定其结温,采用硅凝胶封装的大功率LED,误差在4℃以内;而采用环氧树脂封装的直径5mmLED,当其结温不超过80℃时,误差在6℃以内。     

多芯片贴片式LED器件结温测量

结温是多芯片LED器件热性能的关键参数。以SMD5050 LED器件为例,研究了多芯片贴片式LED器件结温测量方法。SMD5050 LED是一种多芯片贴片式封装的LED器件,器件内封装有3颗芯片,3颗芯片之间并联。根据单芯片LED器件热阻测试原理,模拟SMD5050 LED器件正常工作时的状态,对SMD5050 LED器件的结温进行了测量,并根据LED芯片特性,验证了测量结果的准确性,这种方法适用于封装结构相似的其他多芯片LED器件结温的测量。     

一体化封装LED结温测量与发光特性研究

基于一体化封装基板,制备了大功率白光LED。以低热阻的一体化封装基板为基础,设计了结温测量系统。利用光谱仪测得不同结温下LED的光电参数,并对其机理进行了分析。在工作电流为0.34A,所研究温度范围为10.8～114.9℃。实验结果表明,一体化封装的LED结温与正向电压、光通量、光效和色温有着良好的线性关系;结温的变化对主波长及色坐标影响甚微;结温的上升导致蓝光段强度下降且光谱发生红移,黄光段强度上升且光谱发生宽化,峰值波长由450nm转为550nm。     

采用双光谱参数表征GaN基蓝色LED的结温

设计了一种采用双光谱参数表征GaN基蓝色LED结 温的新方法。采用光谱仪(OSA)测量不同环境温度、不同脉冲电流驱动下,GaN基蓝色LED的 光谱分布,先忽略脉冲电流的热效应,构建驱动电流、质心波长 、半高全宽(FWHM)和结温四者之 间的关系;然后利用该关系,结合实际点灯条件下LED的光谱分布,计算出对应的LED结温和 驱动电流。再根据统计 得到的GaN基蓝色LED脉冲电流-结温修正系数,对所得结温进行修正,得到考虑脉冲电流 热效应后更准确的LED结 温。研究表明,不同类型的LED脉冲电流-结温修正系数差别较小,当脉宽为2ms时,1W G aN基蓝色LED的脉冲电 流-结温修正系数为－5℃/A。与正向电压法相比,采用双光谱参数法得到的结温平均误差 约为2℃。因此,双光谱参数法可以 较准确地测量GaN基蓝色LED的结温。     

LED光源的结温测量方法

分别采用红外热像仪、管脚温度法和Ansys模拟计算法分析测量了LED筒灯的结温。结果表明：管脚测量法能够通过测量管脚的温度,准确地推测出LED芯片的结温。由于这种方法具有非破坏性、精确性、简易性和非接触性,因此可广泛应用于LED结温的测量。测量误差主要取决于封装热阻的误差,而封装热阻是LED灯珠的固有属性,不随着外界温度和散热能力的改变而改变,因此管脚测量法具有通用性。     

大功率集成封装白光LED模组的散热研究

采用有限元分析软件ANSYS,分别对基于均温基板和金属芯印刷电路板结合太阳花散热器的100 W的大功率集成封装白光LED进行了热分析。结果发现:(1)相比金属芯印刷电路板,均温基板提高了LED芯片的均温性,可使每个LED芯片的温度分布一致,且每个芯片的最高温度比最低温度仅高1.1℃,避免了局部热点,从而提高了大功率集成封装白光LED的可靠性,保证了它的寿命。(2)太阳花散热器非常适合大功率集成封装白光LED模组的散热。因此对于大功率集成封装白光LED模组而言,均温基板结合太阳花散热器是一种有效的散热方式。     

功率LED结温和热阻在不同电流下性质研究

通过对不同驱动电流下各种颜色LED结温和热阻测量,发现各种颜色LED的热阻值均随驱动电流的增加而变大,其中基于InGaN材料的蓝光和白光LED工作在小于额定电流下时,热阻上升迅速;驱动电流大于额定电流时,热阻上升速率变缓。其他颜色LED热阻随驱动电流变化速率基本不变。结温也随驱动电流的增加而变大。相同驱动电流下,基于AlGaInP材料的1W红色、橙色LED的结温要低于基于InGaN材料的蓝色、绿色、白色LED的结温。分别用正向电压法和红外热像仪法测量了实验室自制的1 mm×1 mm蓝光芯片结温,比较了两种方法的优缺点。结果表明,电学法测量简单快捷,测量结果可以满足要求。     

应用于大功率LED器件的回路热管散热研究

为解决大功率LED的散热问题,提出一种应用于大功率LED散热的微型回路热管,研究了充液率和倾斜角度对热管冷却大功率LED的启动性能、结温和热阻等特性的影响.研究结果表明:热管的最佳充液率为60％,系统的总热阻为7.5 K/W,此时对应的热管的热阻为1.6 K/W;热管的启动时间约为6.5 min,LED的结点温度被控制在42℃以下,很好地满足了大功率LED的结温稳定性要求.     

Development of a thermal resistance model for chip-on-board packaging of high power LED arrays

The performance of high power LEDs strongly depends on the junction temperature. Operating at high junction temperature causes degradation of light intensity and lifetime. Therefore, proper thermal management is critical for LED packaging. While the design of the heat sink is a major contributor to lowering the overall thermal resistance of the packaged luminaire, another area of concern arises from the need to address the large heat fluxes that exist beneath the die. In this study we conduct a thermal analysis of high power LED packages implementing chip-on-board (COB) architecture combined with power electronic substrate focusing on heat spreading effect. An analytical thermal resistance model is presented for the LED array and validated by comparing it with finite element analysis (FEA) results. By using the analytical expression of thermal resistance, it is possible to understand the impact of design parameters (e.g., material properties, LED spacing, substrate thickness, etc.) on the package thermal resistance, bypassing the need for detailed computational simulations using FEA.     

带有TSV的硅基大功率LED封装技术研究

介绍了一种带有凹槽和硅通孔(through silicon via,TSV)的硅基制备以及晶圆级白光LED的封装方法。针对硅基大功率LED的封装结构建立了热传导模型,并通过有限元软件模拟分析了这种封装形式的散热效果。模拟结果显示,硅基封装满足LED芯片p-n结的温度要求。实验结合半导体制造工艺,在硅基板上完成了凹槽和通孔的制造,实现了LED芯片的有效封装。热阻测试仪测得硅基的热阻为1.068K/W。实验结果证明,这种方法有效实现了低热阻、低成本、高密度的LED芯片封装,是大功率LED封装发展的重要方向。     

GaN基蓝光micro-LED的结温和载流子温度研究

结温及载流子温度因作为影响LED发光效率的重要参数而广受关注。文章研究了GaN基蓝光集成传感微小尺寸发光二极管(micro-LED)的光致发光(PL)光谱、载流子温度等随结温的变化规律。通过内置集成传感单元芯片,设计实现了GaN基蓝光micro-LED在0.04～53.4 A/cm²电流密度下结温和PL光谱的实时精确测量,并将正向电压法测量结温的低温端范围拓展至123 K。结果表明,低温下由于载流子泄漏、串联电阻的原因,结温与正向电压的线性斜率发生变化。针对PL光谱使用高能侧斜率法计算得到不同电流密度下的载流子温度,发现载流子温度与结温在所研究的结温和电流密度范围内可以近似用二次方程拟合,并对载流子温度随结温和电流密度变化的规律进行了分析和解释。     

功率型LED封装中的热阻分析

芯片固晶过程是影响功率型LED封装热阻的重要方面.分析了银胶、共晶合金等不同导热率的固晶材料产生的固晶热阻的大小,并基于正向电压测结温法首次提出了一种测量LED固晶热阻的方法,得到了很好的测量结果,能有效分析封装结构中各部分引入的热阻的大小.

Abstract：

The LED chip bonding is an essential technology to reduce the thermal resistance of LED. Thermal performance of bonding materials such as Ag-epoxy resin was analyzed using heat transfer tools. For the sake of assessing the bonding technology, a method of measuring the thermal resistance induced by bonding process was proposed for the first time based on the forward working voltage method. It is shown that the theoretical simulation results agreed well with the measured results.     

Thermal analysis of LED lighting system with different fin heat sinks

This paper designs a 3×3 light emitting diode(LED) array with a total power of 9 W,presents a thermal analysis of plate fin,in-line and staggered pin fin heat sinks for a high power LED lighting system,and develops a 3D one-fourth finite element(FE) model to predict the system temperature distribution.Three kinds of heat sinks are compared under the same conditions.It is found that LED chip junction temperature is 48.978℃when the fins of heat sink are aligned alternately.     

Analysis of thermal characteristics and mechanism of degradation of flip-chip high power LEDs

The purpose of this study is to investigate the thermal behavior at the die-attached interfaces of flip-chip GaN high-power light emitting diodes (LEDs) using a combination of theoretical and experimental analyses. The results indicate that contact thermal resistance increased dramatically at the die-attached interfaces with aging time and stress, degrading the luminous flux. The junction temperature and thermal uniformity of the flip-chip structure both strongly depend on the arrangement of gold bumps. Local hot spots effectively reduce light output under high electric and thermal stress, influencing the long-term performance of the LED device. The results were validated using finite element analysis and in experiments using an infrared and an emission microscope. A two-step thermal transient degradation mode was identified under various aging stresses. A simulation further optimized the bump configuration that was associated to yield a low junction temperature and high temperature uniformity of the LED chip. Accordingly, the results are helpful in enhancing the performance and reliability of high-power LEDs.