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光電/顯示技術  

LED性能及熱管理方法研究

上網時間: 2010年09月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:LED  熱管理  電熱模擬  T3Ster 

眾所周知,LED的有效光輻射(發光度和/或輻射通量)嚴重受其結溫影響(參見圖1)。單顆LED封裝通常被稱為一級LED,而多顆LED晶片裝配在同一個金屬基板上的LED組件通常被稱為二級LED。當二級LED對光均勻性要求很高時,結溫對LED發光效率會產生影響的這個問題將十分突出。當然,可以利用一級LED的電、熱、光協同模型來預測二級LED的電學、熱學及光學特性,但前提是需要對LED的散熱環境進行準確建模


圖1:一組從綠光到藍光以及白光的LED有效光輻射隨結溫的變化關係

在這篇文章中,我們將討論怎樣透過實測利用結構函數來獲取LED封裝的熱模型,並將簡單描述一下我們用來進行測試的一種新型測試系統。此外,我們還將回顧電──熱模擬工具的原理,然後將此原理擴展應用到板級的熱模擬以幫助最佳化封裝結構的簡化熱模型。在文章的最後,我們將介紹一個應用實例。

設立LED封裝的簡化熱模型

關於半導體封裝零組件的簡化熱模型(CTM)的設立,學術界已經進行了超過10年的討論。現在,對於設立封裝零組件特別是IC封裝的獨立於邊界條件的穩態簡化熱模型,大家普遍認同DELPHI近似處理方法。為了研究零組件的瞬態散熱性能,我們需要對CTM進行擴展,擴展後的模型稱之為瞬態簡化熱模型(DCTM)。歐盟透過PROFIT計畫制訂了設立零組件DCTM的方法,並且同時擴展了熱模擬工具的功能以便能夠對DCTM模型進行模擬運算。

當CTM應用在特定的邊界條件下或者封裝零組件自身僅有一條結-環境的熱流路徑,則可以用NID(熱阻網路自定義)方法來對元件進行建模。


圖2:二級LED中的結-環境熱流路徑:LED封裝用膠固定於MCPCB上

直接利用測試結果設立LED封裝模型 仔細研究一個典型的LED封裝及其典型的應用環境(圖2),我們會發現,LED晶片產生的熱量基本上是透過一條單一的熱流路徑‘晶片-散熱區塊-MCPCB基板’流出LED封裝的。

對於穩態建模來說,封裝的散熱特性可以透過,即結-殼熱阻來準確描述,結-殼熱阻指的是從LED晶片到其自身封裝散熱區塊表面之間的熱阻。對於一級LED來說,此熱阻值可用熱瞬態測試儀器按照雙接觸面法進行測試來得到。


圖3:積分結構函數:安裝於MCPCB的1W紅光LED及其封裝的4階熱模型


圖4:微分結構函數:安裝於MCPCB的1W紅光LED

圖3和圖4所示的是的另外一種測試方法。這種方法用兩步測試完成了對一個二級LED組件的測試工作,這兩步的測試條件分別為:

第一種條件──直接把MCPCB安裝到冷板上

第二種條件──在MCPCB與冷板之間添加一層很薄的塑料薄層

由於銅和膠的導熱係數不一樣,從結構函數曲線上即可方便的讀出的值。同時,由於在第二種條件下加入的薄層材料會讓測試曲線產生分離,透過分離點即可很方便的分辨出結-板之間的熱阻值。

 

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