CN103823170B - 一种功率型led集成模块热阻测试新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用瞬态热响应曲线测量功率型LED集成模块热阻的方法及装置。利用瞬态热响应测量LED集成模块热阻的方法，其特征在于：在功率型LED集成模块安置于两款不同规格型号散热器，采用恒流电源驱动待测器件，同时利用高精度电压数据采集仪分别测量器件固定于两款散热器情况下的正向电压变化曲线，记录器件正向电压初始值V1和分离拐点对应电压值V2；通过加载占空比很小的脉冲电流，避免芯片产生自热，利用控温冷板间接调节LED结温，进而通过待测器件电压‑结温‑时间之间内在联系分析计算获得功率型LED集成模块的热阻。本发明可用于精确测量功率型LED集成模块热阻。
Description
技术领域
本发明属于半导体、光学等技术领域，对功率型LED集成模块的热阻特性进行精确测量的技术。
背景技术
对于LED集成模块而言，热阻是一个重要参数，它的大小将直接影响其光学效率及可靠性。如何准确测试热阻是研究功率LED集成模块热学特性的核心问题。目前可通过不同种方法测试LED器件的结温，应用最为广泛的是电学测试方法，中国电子科技集团第十三所张万生教授课题组依据GB/T4587-94标准研制开发的NC2991晶体管热阻测试仪，北京工业大学冯士维教授通过加热曲线的阶梯形状推算器件热阻。Sékely教授提出采用瞬态热响应测试方法，通过结构函数理论计算获取器件内部热阻-热容信息。据目前器件热阻测试方法，若需要获得LED结至铝基板的热阻主要通过两种方式：1.传统电学测试方法，检测正向电压变化幅度，基于电压温度系数计算结温，同时将温度传感器固定于铝基板，探测其温度，最终计算结至铝基板的热阻。2.在瞬态热响应测试过程中，实时测量PN结正向电压变化曲线，基于电压温度系数计算PN结的温度变化曲线，再利用结构函数理论，计算器件内部各层材料的热阻-热容分布信息，最终可提取结至铝基板区域的热阻。但上述热阻方法都有一定局限性，两种方法都需要校准电压温度系数，传统电学测试方法由于温度传感器安置于铝基板正上方，严格上说，将会低估实际热阻值；瞬态热特性测试方法则需要复杂的结构函数理论才能计算获得器件内部各层热阻-热容分布信息；另一方面需要特别指出LED集成模块由于正向电压较大，通常情况都超出了热阻测试仪器的量程范围，因此造成在集成模块热学特性测试评价中的技术空白。因此本发明旨在提出一种不需温度系数校准、温度传感器以及结构函数理论，但能测量出LED集成模块热阻的新方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的测试功率型LED集成模块的方法，该方法不需温度系数校准、温度传感器以及结构函数理论，并能准确测试LED集成模块热阻。
为实现上述目的，本发明提供的测试方法包括以下步骤： 功率型LED集成模块安置于两款不同散热器HS1和HS2，选择的两款散热器的基板面积、厚度、肋片和钉柱尺寸、位置参数保持一定差异，功率型LED集成模块与散热器之间涂抹均匀高热导率界面硅脂。
恒流电源驱动两组器件正常工作，驱动电流为IH，通过高精度电压数据采集仪测量器件电压变化曲线，记录器件正向电压初始值V1和分离拐点对应电压值V2。
将待测器件与控温冷板之间涂抹均匀高热导率界面硅脂，并通过特定夹具固定待测器件与控温冷板之上，脉冲电源驱动待测器件电流为IH占空比要求很小，与恒流电源驱动器件的工作电流保持一致。
调节冷板温度T1、T2直至器件正向电压为V1、V2，再由冷板温度T1、T2之间的温差，根据热阻的定义计算得到功率型LED集成模块热阻。
由上述步骤以及所采用的测试原理可见，本发明与目前普遍采用电学测试方法的关键区别点在于，目前采用电学测试方法需要通过温度系数校准、温度传感器或结构函数理论，才能计算出LED集成模块热阻。
而本发明是基于LED瞬态热学响应理论模型，揭示LED系统中器件和散热器材料的温度响应时间、时间常数谱、正向电压之间的联系规律；将LED系统划分为二阶时间常数的热阻热容模型，LED集成模块封装材料的时间常数为τLED，散热器HS1、HS2的温度响应时间常数分别为τHS1、τHS2，依据材料温度响应特性，τLED与τHS1、τHS2为不同数量级的时间常数，通过此特性可揭示在不同时间区域下，器件及散热器各自温升幅度的内在规律，在测量过程中，通过高精度电压采集仪记录器件初始电压V1和分离拐点电压V2，由于施加在待测器件上的是占空比很小的脉冲电流，因此其发热量对器件温度场分布影响很小，结合控温冷板间接调节器件内部结温，进而计算获得器件内部结面至散热器交界面的热阻，此过程不需要温度系数校准和温度传感器，不受待测器件正向电压范围的限制，而且不需要采用昂贵的专用瞬态热阻测试仪器的结构函数理论。由此可见本发明简单有效，并保证了测试功率型LED集成模块热阻的准确性。
本发明的优点在于：测试过程中无需昂贵的专用测试设备，利用恒流电源、电压采集仪、脉冲电源、控温冷板等通用设备即可进行测量，大部分用户都具有该发明所需测量条件，不但降低了测试成本，而且便于操作，因此该发明具有重要推广以及应用价值。
附图说明
图1是散热器HS1结构主视图示意图
图2是散热器HS2结构主视图示意图
图3是功率型LED集成模块的示意图
图4是一种功率型LED集成模块热阻测试装置的结构框图
图5是正向电压响应曲线示意图
图6是电流脉冲与控温冷板间接调节待测器件内部温度示意图
具体实施方式
下面结合附图对本本发明做进一步详细说明。
功率型LED集成模块安置于散热器之上，图1中散热器HS1为肋片板式，编号1为肋片板式散热器HS1的基板，编号2为肋片板式散热器HS1的肋片，图2中散热器HS2为钉柱叉排式，编号3为钉柱叉排式散热器HS2的基板，编号4为钉柱叉排式散热器HS2的钉柱。散热器HS1和HS2区别在于：肋片板式散热器HS1由于光滑肋片具有“梳流”作用，气流在散热器肋片壁面上形成了较厚的层流底层，其换热效果较差。在钉柱叉排式散热器，交错分布的钉柱可有效破坏了散热器HS2基底的层流底层，增强了流体扰动，其换热效果较好。选择的两款散热器的基板面积1、肋片2和钉柱2尺寸参数保持一定差异，如图1，2所示。
如图3所示，编号为5为LED集成模块的正电极，编号6为LED集成模块的负电极，6分别连接2条导线与恒流源、高精度电压采集仪连接。高热导率导热硅脂7与LED集成模块底部面积基本相同。
图4是一种功率型LED集成模块热阻测试装置的结构框图。通过恒流源分别驱动LED集成模块正常工作，驱动电流为IH，通过高精度电压数据采集仪测量器件电压变化曲线，如图4所示，记录两组待测器件正向电压随时间变化曲线初始值V1，两组曲线分离拐点对应电压值V2.
LED集成模块的温度响应时间常数为τLED，散热器HS1和HS2的温度响应时间常数分别为τHS-1、τHS-2，因此当热流在器件内部流动过程，两组样品的温度响应曲线理论上保持一致，当器件内部热流分别经过两款散热器过程，由于散热器时间常数τHS-1与τHS-2之间的差异，将导致温度响应曲线分离，基于半导体材料正向电压与温度之间存在线性关系，两组待测器件电压变化曲线也将出现分离拐点V2，待测器件正向电压随时间的变化曲线可用公式表示为：
式中V(t)为待测器件正向电压随时间的变化值，K为电压温度系数，Rjc和Cjc分别为LED集成模块的热阻和热容值，Rhs和Chs分别为散热器的热阻和热容值，Pd为LED集成模块驱动电功率，kh为LED集成模块产生热功耗占驱动电功率的比例，Ta为环境温度，散热器时间常数τHS＝RhsChs.
将控温冷板与注入式脉冲测量方法结合，将待测LED集成模块安置于控温冷板之上，加载占空比很小的脉冲电流IH，避免芯片产生自热，此情况下可近似认为冷板温度与芯片温度相同，通过调节控温冷板温度使器件正向电压发生变化，此过程中冷板温度变化量近似等于结温的变化量，进而即可计算LED器件阵列系统的热阻。
本发明选用散热器的尺寸规格是根据待测的功率型LED集成模块瞬态热学特性来确定的，测试电压响应曲线单元与调节控温冷板可以各自独立控制。为了使在不同规格型号散热器上的集成模块内部，在瞬态温度响应特性方面尽可能保持一致，最好涂抹在散热器界面区域的硅脂与加载的集成模块底部面积相同。为了提高测试集成模块正向电压的准确性以及降低导线上的电压降，这样可更好地反映待测集成模块内部温度响应特性，使测试结果更准确。
Claims (4)
1.功率型LED集成模块热阻测试方法，其特征在于：在功率型LED集成模块安置于两款不同散热器HS1和HS2，利用恒流电源驱动两组器件正常工作，驱动电流为IH，与此同时通过高精度电压数据采集仪测量器件电压变化曲线，记录器件正向电压初始值V1和分离拐点对应电压值V2；通过加载占空比很小的脉冲电流IH，避免芯片产生自热，通过控温冷板间接调节LED结温，进而通过LED器件电压-结温-时间之间内在联系分析计算获得LED集成模块的热阻，调节冷板温度改变器件结温，基于半导体材料正向电压与温度之间的线性关系，调节冷板温度T1、T2直至器件正向电压为V1、V2，再由冷板温度T1、T2之间的温差，根据热阻的定义计算得到功率型LED集成模块热阻。
2.根据权利要求1所述功率型LED集成模块热阻测试方法，其特征在于：选择的两款散热器的基板面积、厚度、肋片和钉柱尺寸、位置参数保持一定差异，由于LED集成模块的温度响应时间常数为τLED，散热器HS1和HS2的温度响应时间常数分别为τHS-1、τHS-2，因此当热流在器件内部流动过程，两组样品的温度响应曲线理论上保持一致，当器件内部热流分别经过两款散热器过程，由于散热器时间常数τHS-1与τHS-2之间的差异，将导致温度响应曲线分离，基于半导体材料正向电压与温度之间存在线性关系，由高精度电压数据采集仪测量两组器件电压变化曲线也将出现分离拐点V2。
3.根据权利要求1所述功率型LED集成模块热阻测试方法，其特征在于：在功率型LED集成模块与散热器之间涂抹均匀高热导率界面硅脂，恒流电源与功率型LED集成模块串联，同时由高精度电压采集仪并联于待测器件并实时测试其正向电压变化曲线；将待测器件与控温冷板之间涂抹均匀高热导率界面硅脂，并通过特定夹具固定待测器件与控温冷板之上，脉冲电源驱动器件电流为IH，与恒流电源驱动器件的工作电流保持一致。
4.根据权利要求3所述功率型LED集成模块热阻测试方法，其特征在于：功率型LED集成模块独特的封装特点，其内部绝大部分热流是通过底部铜块或陶瓷基板传递到控温冷板之上，因此在无加载驱动电流情况下，器件的结温近似等于控温冷板温度；由于加载于器件的脉冲电流IH占空比要求很小，此条件下可近似认为脉冲电流IH无产生热量，此时器件内部的结温近似仍等于冷板温度，通过调节控温冷板温度就可间接调节器件内部结温。
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