大功率LED热阻自动测量方法研究

在没有散热措施的情况下,大功率LED芯片的温度迅速升高,当结温超过最大允许温度时,大功率LED会因过热而损坏。大功率LED灯具设计中,最主要的设计工作就是散热设计。利用LED半导体器件的结电压与结温具有良好的线性关系的特性,通过测量大功率LED工作时的正向压降,工作电流,恒温箱温度和热衬温度,采用的电学参数法,实现了大功率LED热阻的自动测量。设计并制作了大功率LED热阻自动测量仪,快速、准确的测量了LED晶片到热衬的热阻。六种不同规格LED晶片到热衬的热阻测量值与计算值之间的误差小于10%。热阻测量值普遍高于理论计算值,说明LED制造工艺水平还有很大的提升空间。     

LED热阻特性的电学测试系统

依据LED电学温度特性和热阻理论,搭建了大功率LED热阻测试平台.该平台可对特定型号的大功率LED进行温度特性和热阻测试,采用自控技术进行数据采集和分析,使热阻值测量便捷、高效、准确.     

大功率AlGaInP红光LED散热基板热分析

采用有限体积数值模拟、瞬态热阻测试方法以及热沉温度一峰值波长变化的关系,对三种散热基板上大功率AIGaInP红光发光二极管(LED)进行热特性分析.三种LED采用相同型号、规格,散热基板,区别在于散热通道以及材料.测量样品的瞬态温度响应曲线,基于结构函数理论模型对温度响应曲线进行数学处理,得出包含热阻与热容的结构函数,区分出样品内部热流通道上各个区域的热阻与热容,进而发现散热瓶颈区域.测试样品在不同热沉温度下的电致发光光谱,通过热沉温度一峰值波长系数为区别样品散热性能提供定性判断依据.通过模拟与测试结果比较,为优化陶瓷基板内部散热结构,设计最佳的散热模型提供重要参考依据.     

LED正向压降随温度的变化关系研究

分析了LED正向压降随温度变化的物理机理,建立了恒流驱动下正向压降随温度的变化系数测试系统对不同材料、不同发射波长的LED电压随温度变化系数进行了系统的实验研究,利用最小二乘法对实验数据进行了线性拟合,得到了不同发射波长的AlGaInP、InGaN材料LED的电压随温度变化系数,对超高亮度LED、功率型LED器件及系统的热工参数测量积累了的重要数据.     

晶圆键合和激光剥离工艺对GaN基垂直结构发光二极管芯片残余应力的影响

GaN基发光二极管(LED)中的残余应力状态对器件的性能和稳定性有很大影响. 通过使用三种不同的键合衬底(Al₂O₃衬底, CuW衬底和Si衬底)以及改变键合温度(290 ℃, 320 ℃, 350 ℃和380 ℃), 并且使用不同的激光能量密度(875, 945和1015 mJ·cm^-2) 进行激光剥离, 制备了不同应力状态的GaN基LED器件. 对不同条件下GaN LED进行弯曲度、Raman 散射谱测试. 实验结果表明, 垂直结构LED中的残余应力的状态是键合衬底和键合金属共同作用的结果, 而键合温度影响着垂直结构LED中的残余应力的大小. 激光剥离过程中, 一定能量密度下激光剥离工艺一般不会对芯片中的残余应力造成影响, 但是如果该工艺对GaN 层造成了微裂缝, 则会在一定程度上起到释放残余应力的作用. 使用Si衬底键合后, 外延蓝宝石衬底翘曲变大, 对应制备的GaN基垂直结构 LED中的残余应力为张应力, 并且随着键合温度的上升而变大; 而Al₂O₃和CuW衬底制备的LED中的残余应力为压应力, 但使用Al₂O₃衬底键合制备的LED中压应力随键合温度上升而一定程度变大, CuW 衬底制备的LED中压应力随键合温度上升而下降.     

高功率LED热特性测试方法研究与应用

叙述了利用动态电学测试方法测量高功率LED热阻和结温的原理、试验装置、测量步骤和影响测试结果的因素.研究结果表明,该方法具有测试结构简单、稳定性高等特点,可作为高功率LED热阻和结温的一种测试方法.     

衬底弯曲度对GaN基LED芯片性能的影响

利用低压MOCVD系统在弯曲度值不同的蓝宝石衬底上生长了GaN基LED外延结构并制作芯片。测量了芯片的主要电学和光学参数,并分析了衬底弯曲度值对芯片性能的影响。分析结果表明:存在弯曲度的衬底预先弛豫了外延层中的部分应力,改善了外延层的质量,从而提高了LED芯片的性能。随着衬底弯曲度值的逐渐增加,下层GaN对有源层中InGaN材料的压应力作用不断减小,导致芯片的主波长逐渐发生蓝移。     

LED热学特性研究及应用实验仪

研制了功率型LED热学特性研究及应用实验仪,控温范围为室温~120°C,控温精度为0.5°C,分辨率为0.1°C,设有过载报警功能.通过脉冲电流法准确测量LED结温,并在此基础上研究温度对功率型LED发光效率的影响以及器件热阻等热学特性.     

基于拉曼热测量技术的铜基复合物法兰GaN基晶体管的热阻分析

采用拉曼热测量技术结合有限元热仿真模型,分析比较新型铜/石墨复合物法兰封装与传统铜钼法兰封装的GaN器件的结温与热阻,发现前者的整体热阻比铜钼法兰器件的整体热阻低18.7%,器件内部各层材料的温度分布显示铜/石墨复合物法兰在器件中的热阻占比相比铜钼法兰在器件中的热阻占比低13%,这证明使用高热导率铜/石墨复合物法兰封装提高GaN器件热扩散性能的有效性.通过对两种GaN器件热阻占比的测量与分析,发现除了封装法兰以外,热阻占比最高的是GaN外延与衬底材料之间的界面热阻,降低界面热阻是进一步提高器件热性能的关键.同时,详细阐述了使用拉曼光热技术测量GaN器件结温和热阻的原理和过程,展示了拉曼光热技术作为一种GaN器件热特性表征方法的有效性.     

GaN基发光二极管衬底材料的研究进展

GaN基发光二极管(LED)作为第三代照明器件在近年来发展迅猛.衬底材料作为LED制造的基础,对器件制备与应用具有极其重要的影响.本文分析综述了衬底材料影响LED器件设计与制造的关键特性(晶格结构、热胀系数、热导率、光学透过率、导电性),对比了几种常见衬底材料(蓝宝石、碳化硅、单晶硅、氮化镓、氧化镓)在高质量外延层生长、高性能器件设计和衬底材料制备方面的研究进展,并对几种材料的发展前景做出了展望.     

Characteristic enhancement of white LED lamp using low temperature co-fired ceramic-chip on board package

In this paper, we propose low temperature co-fired ceramic-chip on board (LTCC-COB) package with improved thermal characteristics; no insulation layer exists between the LED chip and metal base. In actual measurement as well as in thermal simulation, the proposed LED lamp structure showed excellent thermal properties, compared with surface mound device-printed circuit board (SMD-PCB) package LED lamp. The optical output power, thermal distribution, current-voltage (I-V) and electroluminescence (EL) were measured and compared to analyze the characteristics of LTCC-COB package LED lamp with SMD-PCB package LED lamp. EL peak intensity of LTCC-COB package LED lamp is 1.75 times better than that of SDM-PCB package LED lamp. The thermal resistance between packing area and air was found to be 7.3 K/W and 7.9 K/W for LTCC-COB package and SMD-PCB package respectively. The proposed LTCC-COB packaged LED lamp is not only suitable for high power LED package due to its low thermal resistance but also a promising solution for illumination modules.     

Analysis of junction temperatures for groups III–V semiconductor materials of light-emitting diodes

This study utilizes the Shockly equation and Fourier’s law with the optical, electrical and thermal properties of LEDs to predict the variation of the junction temperature with the injection current. It is shown that the relationship of the junction temperature with the injection current can be determined by the effective thermal conductivity, temperature coefficient of junction voltage, series resistance, integral constant (forward voltage at the initial forward current and junction temperature), ambient temperature and external quantum efficiency. The effective thermal conductivity, temperature coefficient of junction voltage, and series resistance are calculated from the material properties based on the structures of LEDs instead of measurements in this study. The junction temperature of AlGaInP/GaInP MQW red LED predicted from this study agrees with the available experimental data and the junction temperatures of GaInN UV LED and AlGaN UV LED calculated by this work are also consistent with these obtained from the emission peak shift method. The elevated temperatures of AlGaN and GaInN are larger than that of AlGaInP/GaInP MQW red LED due to the difference of the thermal conductivity for the LED substrate. This study also presents the effects of the parameters on the variation of the junction temperature with the injection current. The effective thermal conductivity and ambient temperature significantly affect the junction temperature of LEDs.     

以改进的迈克尔逊干涉仪测量LED封装材料的热膨胀系数

LED封装材料在封装的过程中由于热膨胀的缘故会产生应力,将对LED的发光效率产生较大影响。改装的迈克尔逊干涉仪用于测量二氧化钛/有机硅复合的LED封装材料在不同温度范围内的热膨胀系数,具有测量准确,分辨率高等优点。     

LED结温与光谱特性关系的测量

采用恒定驱动电流改变环境温度和恒定环境温度改变驱动电流两种方法分别对直径5 mm封装的AlGaInP型红光和黄光LED,InGaN型绿光和蓝光LED,以及InGaN蓝光+荧光粉的白光LED的结温与其光谱特性进行了测量,得到了不同条件下LED结温与光谱特性的关系.结果表明;AlGaInP LED的峰值波长与结温有良好线性关系,InGaN LED的峰值波长则与结温没有明显对应关系;但白光LED发射光谱的白、蓝功率比与结温有良好线性关系;对AlGaInP LED及蓝光激发的白光LED,通过光谱特性测量可快速、准确地确定光源系统中各LED的结温继而预测光源系统的有效寿命.     

LED灯表面对流换热系数的测算研究

提出了一种在第三类边界条件下,根据LED灯瞬态温度场的变化规律,通过对其表面温度的实际数值测定来推算LED灯表面对流换热系数的快速测定方法。基于对流热平衡理论,设计了一种可以在较高表面换热强度条件下进行测试的装置,通过实验测定LED灯上下表面的温度,结合曲线拟合对实测数据进行数理分析,得到较宽范围内的表面对流换热系数。实验结果表明:该测试方法简单、实用,测试时间较短(实验准备与数据测定大约需要30 min),测试精度较高(数据拟合误差不高于0.2%),可靠性强,可以用于工程热设计等多种相关发热体表面对流换热系数的测定。     

51 V GaN基高压LED的热分析

设计并制备了51 V高压LED。对器件进行了大电流冲击试验并对器件的损毁原因进行了分析。运用有限元分析软件ANSYS对LED关键结构部位进行参数化建模及热分布模拟,得到其稳态的温度场分布;然后经过与红外热像仪成像图对比,得出电极烧毁的原因在于芯粒连接处的电极过薄过窄而导致的电阻过大,为后续设计更可靠的高压LED提供了参考。对芯片分别进行蓝光及色温5 000 K的白光封装,并分别测量了热阻,涂覆荧光粉的白光灯珠的热阻要比没有涂覆荧光粉的蓝光灯珠高约4℃/W。同时,51 V高压LED的热阻比1 W大功率LED要高,说明高压LED的散热性能比常规LED要差,这可能与高压LED具有深沟槽及众多的互联电极结构有关。     

多芯片LED器件热学特性分析

由于芯片之间存在的热耦合效应,多芯片LED器件内部存在复杂热学规律。本文通过多芯片LED热学模型描述多芯片LED器件系统内部热阻支路路径,进而通过有限体积数值计算多芯片LED器件结温。通过本文试验验证,单颗芯片、2颗芯片、3颗芯片以及4颗芯片在负载不同电功率（0.3~1.2 W）情况下,结温的测试值和计算值的最小误差值为0.8%,最大误差值为6.8%,平均误差值为3.4%,计算结果与测试结果基本保持一致,因此有利论证了多芯片LED热学模型可为评价多芯片LED器件热学性能提供重要的参考作用,有助于更全面分析多芯片LED热阻内部芯片之间的热耦合效应。该实验结果为准确预测多芯片LED器件内部结温提供了重要理论依据。     

基于相对光谱强度的非接触式LED结温测量法

基于一体化封装高导热铝板,利用蓝光芯片及常用YAG荧光粉,制备了大功率白光LED,并研究了其在不同结温下的光谱变化规律。发现白光LED辐射光谱在波长485 nm处辐射强度具有极小值,并且此波长的辐射强度与LED结温存在良好的线性关系,以此为依据给出了该波长辐射强度与结温的关系公式,测量了LED结温,并与正向压降法及光谱法的测量结果进行对比。实验结果显示：所提出的结温测量方法与正向压降法测量结果差距不超过2 ℃,该方法保持了正向压降法的结温测量较为准确的优点,克服了光谱法的光谱漂移过小,对测试结果带来较大误差的缺点,同样也具有光谱法的实用性强、高效直观、非接触测量、不破坏灯具结构的优点。     

照明用大功率LED回路热管散热器的研究

分析了照明用大功率LED封装的散热特性,提出了一种用于大功率LED系统散热的回路热管;研究了热负荷、倾角、加热方式等对热管的起动性、均温性、热阻等的影响。试验结果表明,所设计的热管散热器的热阻在0.19K/W~3.1K/W之间,蒸发器的均温性被控制在1.5℃以内,满足大功率LED封装的均温性要求,在热负荷为100W时,蒸发器的温度被控制在100℃以下,满足大功率LED结点温度的控制要求。