電子工程網訊：必須清楚地了解LED內部從PN結到環境的熱特性，從而確保得到一個安全，可靠的設計和令人滿意的性能。在熱流路徑中可能有裸芯片或膠層等多個導熱界面，并且它們的厚度和熱阻很難在生產過程中進行控制。此外，在LED封裝和作為散熱器的照明設備外殼之間的導熱界面進一步增加了設計的挑戰性。必須在樣機階段盡可能早地了解LED的熱阻值。
電流，顏色和效能
LED的光輸出特性主要取決于其工作條件。前向電流增加會使LED產生更多的光。但當前向電流保持不變，光輸出會隨著LED的溫度升高而下降。圖1描述了溫度，電流和光輸出的關系。并且描述了一個LED相關的顏色光譜在峰值波長處的偏移。用于普通照明的單色LED，藍色光譜的峰值會發生偏移，因此改變了LED所謂的色溫。這會對LED照明空間內的感官產生影響。
像很多其它產品一樣，照明系統設計時也要權衡成本和性能。功率分配及因此產生的散熱需求很大程度上是由LED的能量轉換效率所決定。其定義為發出的光能和輸入電功率的比值。能效值與另一個度量參數效能有密切關系，它是一個關于有用性的評價指數，可感知的光除以提供的電功率的比值。效能被用于評估不同光源的優劣。不幸的是LED的效能會隨著LED結溫的增加而下降。預測LED的輸出光通量是照明設計的最終目標。提供有效散熱的熱管理解決方案可以在LED實際應用中產生更多一致顏色的光通量。
熱量從LED封裝芯片開始傳遞，相關的數據由供應商提供。圖2 中顯示的是常見的導熱結構。一個LED燈大約50%的結點至環境的熱阻由LED封裝所引起。
傳統的LED標準需要進一步地完善。相關的工業標準正在起草，但LED供應商仍然以不同方式定義它們產品的熱阻和其它與溫度相關的特性參數。例如，當確定LED熱阻時忽略了作為條件變量的輻射光功率，那么得到的熱阻值將會比實際熱阻值要低。如果實際的熱阻值更高，則相應的LED結溫也會更高，從而造成發出的光通量不夠。所以，了解真實的LED熱特性參數是非常重要的。
電子工程網訊：必須清楚地了解LED內部從PN結到環境的熱特性，從而確保得到一個安全，可靠的設計和令人滿意的性能。在熱流路徑中可能有裸芯片或膠層等多個導熱界面，并且它們的厚度和熱阻很難在生產過程中進行控制。此外，在LED封裝和作為散熱器的照明設備外殼之間的導熱界面進一步增加了設計的挑戰性。必須在樣機階段盡可能早地了解LED的熱阻值。
電流，顏色和效能
LED的光輸出特性主要取決于其工作條件。前向電流增加會使LED產生更多的光。但當前向電流保持不變，光輸出會隨著LED的溫度升高而下降。圖1描述了溫度，電流和光輸出的關系。并且描述了一個LED相關的顏色光譜在峰值波長處的偏移。用于普通照明的單色LED，藍色光譜的峰值會發生偏移，因此改變了LED所謂的色溫。這會對LED照明空間內的感官產生影響。
像很多其它產品一樣，照明系統設計時也要權衡成本和性能。功率分配及因此產生的散熱需求很大程度上是由LED的能量轉換效率所決定。其定義為發出的光能和輸入電功率的比值。能效值與另一個度量參數效能有密切關系，它是一個關于有用性的評價指數，可感知的光除以提供的電功率的比值。效能被用于評估不同光源的優劣。不幸的是LED的效能會隨著LED結溫的增加而下降。預測LED的輸出光通量是照明設計的最終目標。提供有效散熱的熱管理解決方案可以在LED實際應用中產生更多一致顏色的光通量。
熱量從LED封裝芯片開始傳遞，相關的數據由供應商提供。圖2 中顯示的是常見的導熱結構。一個LED燈大約50%的結點至環境的熱阻由LED封裝所引起。
傳統的LED標準需要進一步地完善。相關的工業標準正在起草，但LED供應商仍然以不同方式定義它們產品的熱阻和其它與溫度相關的特性參數。例如，當確定LED熱阻時忽略了作為條件變量的輻射光功率，那么得到的熱阻值將會比實際熱阻值要低。如果實際的熱阻值更高，則相應的LED結溫也會更高，從而造成發出的光通量不夠。所以，了解真實的LED熱特性參數是非常重要的。
測量：溫度比光通量更重要
假設LED的溫度與其兩端的前向電壓降成線性關系。因此，通過觀察電壓降可以精確地推算出溫度的變化。為了很好地進行這個測試，測試系統的硬件和軟件必須滿足一定的要求。 例如Mentor Graphics的MicReD商業自動化測試系統就是滿足此類要求的典型設備。
圖3描繪了此類測量裝置的簡圖（不成比例）。測量的第一步是確定前向電壓在一個非常小的電流下的溫度敏感性，這個小電流可以是傳感器或測量電流。之后，LED被施加一個大電流，從而使其變熱。接著停止施加大電流，并且很小的傳感器電流再次出現，同時用一個高采樣率完成前向電壓的測量，直至LED結溫完全趨于穩定。由于LED快速的熱響應，所以測量的硬件設備必須能夠捕捉LED電流停止施加后幾微秒內的溫度（電壓）改變。如圖3所示，被測量的LED處于一個封閉空間內，這個封閉空間是JEDEC標準的自然對流腔，它提供了一個沒有氣流流通的環境。T3ster也可以提供類似的裝置。表格1歸納了測試步驟。
在電子行業，術語“Z”代表阻抗，在我們的例子中代表熱阻抗。在熱阻抗的曲線中，其表示溫差除以熱功耗的值。因此，圖4中的Z曲線表述了對于1W熱功耗的溫度改變。
熱阻抗曲線Zth總體來看比較平滑，但局部還是有波動，工程師需要解釋其中的原因。而且它是由大量密集的數據點所構成，所以潛在的信息非常豐富。集成先進應用數學且功能強大的熱測試系統可以提供非常有用的Zth 和時間曲線的分析變換。
Zth曲線圖中的數據使計算熱容和熱阻的總體曲線圖成為可能，也就是著名的結構函數。它是結點至環境熱流路徑中熱阻抗網絡模型的圖形表示形式。結構函數的形式與實際結點至環境熱流路徑保持一一對應的關系。元件的結點始終在圖形的原點。圖5中的圖形就描述了這一概念。
在LED元件中，由半導體產生的熱量從它的自身開始傳遞。結點被加熱，之后熱量通過許多熱阻，同時加熱熱流路徑上的物體。事實上，熱量通過的熱阻越多，更多的熱容被加熱。
在圖5中，最初的曲線非常陡峭，同時熱容被加熱。這個曲線進行了注解，描述了LED/MCPCB，封固劑（導熱硅脂）和照明設備三個階段。但在第一個階段內，曲線描述了更小的一些階段，譬如Die attach，散熱板，甚至是緊固銅散熱板和MCPCB的膠水。注意這個圖形證實了早期的一個論點，那就是LED自身的熱阻占整個系統結點至環境熱阻的50%。
再次查看圖3，注意測量的僅僅是LED元件兩端的電壓。系統是如何得到了整個照明設備的熱數據呢？答案就是監控和觀察溫度的下降曲線。
當LED Die的溫度開始下降，由于只有一個對其溫度有影響的物體直接連接著它，它的溫度下降緩慢。Die 溫度下降所需要的時間主要取決于熱容，它可以存儲熱量。測試系統監控溫度微小的改變，并且將其變換為熱阻/熱容數據點，如果具有一樣的特性則會看到類似的曲線。所以對測試系統的靈敏度有很高的要求。
從測試到模型
結構函數幫助工程師評估整個散熱路徑中的各個部分。重要的是它們可以幫助揭示設計中存在的問題，這些問題可能影響設備的生產或可靠性。
結構函數可以進一步轉變成簡化模型，也就是一個包含熱阻熱容的等效網絡，它包含了結構函數圖形中所包含的所有數值。圖6描述了類似功率LED等半導體元件的一個通用模型。當然，實際的模型中R和C會有具體的數值。
借助瞬態熱測試得到的R/C網絡模型可以直接被用于熱設計工具中，在這些熱設計工具中對LED系統進行熱仿真。為了滿足市場對于它們產品更多熱性能數據的要求，一些半導體供應商開始使用瞬態模型去描述它們功率開關和類似產品的熱性能，這也為LED供應商在將來也遵從這種做法提供了借鑒。
光度測量揭示LED的真實顏色
先前所有的努力使照明設備達到投放到市場的端口。然而，此時必須回答一個重要的問題：當照明設備工作在它規定的溫度范圍內，它預期發出多少光？在產品批量生產之前，必須提供樣機完整的光度和輻射特性。在現在自動化工具的幫助下，熱和光測量可以被同時進行。
為了同時進行測量，之前已經解釋了熱測試必須與一個子系統相結合，這個子系統是滿足CIE1要求（參見備注）的條件下，用于測試LED光輸出。這個子系統包含了一個恒溫器（類似冷板）和探測器。兩個器件由特定的軟件進行控制。一個完全整合的熱/輻射/光度測試系統可以描述照明設備的熱阻和光輸出特性，包括了輻射熱流（也就是輸出光功率），光通量和染色性。這些值可以在不同的參考溫度和前向電流條件下，同時得到測量。
重要的是，對于普通循環光度測試增加熱瞬態測試不會明顯增加測試時間。這是因為貼附到冷板的功率LED結溫通常在30~60S之內達到穩定。LED熱阻測試之前的加熱過程，是一個相類似的過程。因此，加上熱測試的測試時間與僅僅光輸出測試的時間是一樣的；所有的這些特性必須在LED熱穩定的條件下測量。
溫度：參考，周圍的，環境…
熱管理解決方案的結點至環境的熱阻很容易受到環境溫度的影響，從而使測試結果失真。因此當預測照明設備熱性能時，測試環境溫度也就是參考溫度必須注明。但熱和光度/輻射測量被同時完成時，參考溫度就是冷板的溫度。
正如之前的解釋，LED特性的工業標準化工作還在進行，這也意味著供應商在描述它們產品和提供相關數據時有很大的自由度。通常環境方面的信息不會得到重視。關于產品性能的數據可能是照明設備處于最佳照明時得到的，可以說忽略了真實工作條件下的一些影響。例如，通常供應商提供的LED數據是在25oC的環境溫度條件下，即便LED安裝在燈具中之后其安裝面的溫度為50oC，甚至80oC。在工作狀態下，實際的LED結溫可能處于80~100oC的范圍，從而引起光通量的急劇下降。
在圖7a中顯示了兩個同一廠商的兩個白色LED光通量和參考溫度的關系，這兩個LED具有不同的散熱方式。散熱方式1使用了一塊金屬的PCB板，而散熱方式2使用了傳統的FR4板。此外，兩個LED樣品的PCB板和散熱器之間使用了不同的導熱界面材料。
得到光通量和參考溫度的測試方法非常簡單。測試時冷板直接影響LED的結溫。因此，通過改變冷板的溫度，可以觀察結溫變化對于光通量的影響。
圖7a中的兩個LED曲線并不完全平行。因為測試是基于同一類型的LED，所以人們可能希望兩個LED的性能是一致的。然而，請注意光通量和參考溫度的曲線圖。采用的導熱界面材料有著不同的溫度影響，從而對LED結溫產生不同的影響。不同冷板溫度下的結構函數可以進一步揭示這些影響的程度和產生位置。
很多的測試工作都是關于確定加熱功耗和每一個參考溫度下的熱阻值。如果具有這些信息，就可以計算相應的LED結溫值。如果沒有進一步的測試要求。工程師可以使用之前的信息，重新繪制LED結溫與光通量之間的關系。
基于真實的LED結溫，重新繪制曲線將消除光通量曲線斜率的偏差。圖7b描述了一組光通量和結溫的曲線，并且這里的真實結溫通過真實的加熱功率和真實的熱阻進行計算得到。現在對于同一供應商的所有LED樣品，由前向電流值獲得的特性斜率是一致的。光通量微小的偏差相當于通常的制造誤差。
靜態測量，光度測量和累計球
描述偏色等重要參數不僅僅要求電流和熱測試，而且需要一個完全可控的小型“黑腔”。非常明顯，不讓外部的光影響敏感的波長讀數是非常重要的。
最簡單的LED熱阻抗測量方式是使用四線“Kelvin”測試裝置的靜態測試方法。首先是LED處于穩態狀態下，設定產生需要加熱電流（IH）等級的前向電流（IF），恒定的加熱電流是LED溫度達到一個穩定值，從而產生恒定的光通量。
在JEDEC JESD51-1標準定義的靜態測試條件下，一旦LED處于熱的狀態，它的前向電流突然降低到一個非常低的測量電流水平，IM（表格1中第2步）。事實上LED被關閉，產生了一個負的功率。在這個階段，測量相應的電壓（表格1第3步）。從LED的前向電壓改變推算LED結溫的改變。
注意，當PN結前向電流突然被停止（在測試過程中），不可避免的發生電瞬態現象。這個瞬態現象會持續很短的一段時間，在這段時間內前向電壓的改變無法描述LED芯片的溫度的改變。因此，在進行測量時必須給電瞬態現象消失留有一個時間上的延遲。
圖8歸納了變量之間的相互影響
Mentor Graphics 公司MicReD 部門的TERALED熱/輻射測量系統就是用于LED輻射和光度特性測量的。它的研發目的就是為剛才所提及的靜態測試提供完整的解決方案。當將它連接到T3Ster系統，TERALED可以完成熱瞬態測試，從而提供結構函數，簡化模型和熱特性數據，同時也獲得光度特性數據。
TERALED系統包含了各類部件，這些部件是獲得精確，重復性好的LED重要參數所必須的：
高精度的探測器和參考光源
具有高精度V過濾器的濾波器組合，以提供光通量測量
具有平坦光譜響應的過濾器，以測量輻射通量（發射的光功率）
3個CIE光X-Y顏色坐標直接測量的過濾器
1個溫度穩定的溫度探頭
1個累計球（“黑腔”）
當TERALED以單機模式使用時，它可以完成光度測量。當結合T3Ster系統時可以進行熱和光度測量。圖9是TERALED和T3Ster系統一起使用的簡圖。
結論：熱，光和成本的平衡
每一個成功的LED照明設備背后都蘊藏著設計師在功率LED溫度和熱損耗要求方面做出的很多努力。這些重要的因素影響產品的壽命和它的發光特性。一個工作溫度低，且發出滿足要求光的照明設備可以在終端用戶那里更長時間的工作。
MicRED T3Ster自動熱測試系統可以快速完成熱阻測量和預測照明設備內熱量傳遞的路徑。并且T3Ster和TERALED結合的熱和輻射/光度測量系統可以得到照明設備工作溫度，光性能和成本之間的完美平衡。
關于Mentor Graphics Mechanical Analysis Division
Mentor Graphics公司Mechanical Analysis Division （原Flomerics公司）是全球領先的包含熱流工程設計過程的計算機仿真公司。通過提供仿真軟件和在建立樣機之前的咨詢服務，客戶可以減少設計風險，降低產品成本，加快和優化產品設計。使用先進的計算流體動力學軟件，我們幫助客戶提升機構設計效率，節省可觀的時間和金錢。更多的信息，請訪問 www.mentor.com/mechanical 或聯系：
1. CIE：國際發光照明委員會的技術報告127“2007 encompasses measurement standards and quantities expressing LED perform”
仿真節省系統設計時間
現在絕大多數的工程和設計領域，工程師在產品概念和驗證階段使用仿真軟件可以加快產品研發和獲得更好的設計建議。Mentor Graphics的FloEFD被證明是一款加快和簡化LED照明和系統設計工作的熱仿真軟件。工程師使用軟件的“What-if”功能就可以驗證產品設計概念，而不需要制作昂貴的物理樣機。任何內外部溫度和熱流的問題都可以被快速和精確地評估。