模組內部燈條LED真實熱阻模擬測試系統研究與分析

0   引言

隨著科學技術的發展以及能源的日益緊缺，半導體照明的研究獲得了很大的進步，而半導體產品具有功耗低、使用壽命長和響應時間短等眾多優勢和發展潛力，已呈現逐漸取代傳統照明產品的趨勢[1]。LED是半導體照明中的關鍵器件，由于功率越來越大，大功率LED的耗散功率會導致LED芯片PN 結結溫上升，從而顯著地影響LED的光度、色度和電氣參數，甚至可能導致器件失效[2-4]。因此，在LED的整機、模組應用中，如電視模組，會優先考慮熱阻小，結溫低的LED。與此同時，整機模組廠商不僅關注單個LED熱阻和結溫測量，更關注的是在整機或者模組狀態下內部燈條LED的真實熱阻，以便為模組可靠性設計提供有力支撐。

目前行業測量LED熱阻比較通用、靠譜的方法是電學參數法，使用T3ster設備，T3Ster基于先進的JEDEC ‘Static Method’測試方法（JESD51-1），通過改變電子器件的輸入功率，使器件產生溫度變化，但該設備僅能測量尺度約在30 mm以內的小模塊的LED熱阻，無法評價整機或模組狀態下的LED熱阻（如常用的32寸到65寸模組）。因此，本文研究內容的原理基于電學參數方法，并在此基礎上利用“焊腳溫度、環境溫度”等效法，該方法可以真實可靠地模擬模組內部燈條LED的熱阻特性。

1   測試原理

LED是一種半導體器件，主要以熱阻來表征其本身的熱學特性。在熱平衡的條件下，2個規定點（或區域）溫度差與產生這兩點溫度差的熱耗散功率之比值稱為熱阻，用Rth表示，它表征了LED的散熱能力。熱阻計算公式如下：

Rth=（Tj-Ts）/P       （1）

其中，Tj 為穩定時待測LED的結溫；Ts為穩定環境的參考點溫度；P是待測LED在熱傳導通道上的耗散功率，Rth為待測LED P-N結到指定參考點(S點)之間的熱阻。通過式（1）可知，結到測試點Ts的熱阻，可由兩者之間的結溫與耗散功率比值得到。很多研究已經表明，熱阻（結到焊腳Ts)，與環境溫度、PCB設計、散熱材質均強相關，本文研究基于電學參數方法測試原理，采用的熱阻等效方法，利用“焊腳溫度、環境溫度”等效，通過設計相應的PCB規格，使T3ster熱阻測試儀可測量的待測LED模塊的焊腳及環境溫度，與真實模組或整機狀態里的LED焊腳及環境溫度相當，利用該模塊測得的熱阻等效為模組或整機狀態里的LED熱阻。其中，被測模塊與整機/模組原始燈條LED具有相同的環境溫度、LED規格、散熱材質、驅動電流及相同的焊腳溫度，因此用被測模塊熱阻等效原始整機/模組原始燈條LED熱阻。

2   測試系統的構成

本文研究的測試系統組成框架如圖1所示，主要由電流測試儀、整機或者模組、溫度測試儀和T3ster設備組成。在整機或者模組點亮狀態下，通過電流測試儀測試電路中的驅動電流，從而確定通過燈條上LED的電流；T3ster設備測試整機或者模組內部的燈條LED熱阻；溫度測試儀測試在整機或者模組點亮狀態下內部的環境溫度和測試LED的焊腳溫度，從而確定T3ster設備上設置的環境溫度和LED的焊腳溫度。

圖1系統構成

3   測量方法與步驟

1)在點亮狀態下，測試模組燈條的實際工作電流IF；

2)選取模組中溫升最高的LED（一般靠近電源板位置），在煲機2 h后測試該LED的焊腳溫度Ts1和模組內部環境溫度Ta1；

3)截斷該燈條上的LED，記錄尺寸為L1，接好連接線，放置在T3ster的恒溫槽；

4)設置恒溫槽的溫度為Ta2，Ta1=Ta2，測試電流為IF。在溫度Ta2穩定后，記錄該LED溫升為Ts2；

5)對比Ts1和Ts2，當Ts1＞Ts2，則繼續縮小燈條PCB板的尺寸，直至Ts1=Ts2；

6)當滿足Ta1=Ta2，Ts1=Ts2后，測試該尺寸長度的LED的K系數和降溫曲線，再對降溫曲線提取結構函數，進行積分結構和微分結構，從結構函數中自動分析出該LED的熱阻；

(7)測試該LED的熱阻，即等效該LED在模組狀態下的熱阻。

4   測試過程

本次測試采用43英寸電視模組，首先點亮43英寸模組，用電流測試儀TDS3032B設備連接線夾住燈條線，記錄43英寸模組的電流為492 mA。拆開該43英寸模組，選擇溫升最高的LED（一般靠近電源板位置），在刮去該LED的燈條PCB銅箔，使該LED與其他LED斷開單獨控制，再用導線把其他LED連接起來，同時把單獨控制的LED負極連接溫度測試儀的探頭1，測試焊腳溫度Ts1，另一個探頭2放置在該LED附近，測試環境溫度Ta1，如圖2所示。裝好43英寸模組，用直流源單獨點亮該LED，其余正常電源板點亮，煲機2 h后，記錄探頭1和探頭2對應的焊腳溫度Ts1和Ta1分別為59.9 ℃、50.3 ℃。把43英寸模組測試的LED取出，連接導線，記錄尺寸L2為14 mm×17 mm，放在T3ster設備的恒溫槽內，如圖3。設置槽內溫度為Ta2=Ta1=50.3 ℃，測試電流為492 mA，一段時間后記錄此時的LED焊腳溫度Ts2為58.9 ℃。由于Ts2＜Ts1，繼續縮小PCB的尺寸，當尺寸L3為14 mm×10 mm，得到的Ts3為60.3 ℃。此時焊腳溫度Ts3與在43英寸模組內部測試的焊腳溫度Ts1接近，且環境溫度相同，Ta2=Ta1=Ta3=50.3 ℃，則測試該尺寸L3的LED在不同環境溫度下的電壓值，如圖4，由式（2）得到K系數：

K =ΔT/ΔVF          （2）

然后設置環境溫度為Ta2=Ta1=Ta3=50.3 ℃，輸入測試電流492 mA，一定時間后達到熱平衡，設置電流為1 mA，實現快速降溫，同時得出降溫曲線，如圖5。通過TSP（溫度敏感參數）獲得LED的瞬態溫度變化曲線，即將K因子關系代入電壓變化以獲得瞬態溫度變化曲線，對冷卻曲線進行數值處理并提取結構函數，得到了微分結構曲線和積分結構曲線，如圖6和圖7，從曲線看出，一共有5個明顯的峰，代表5個不同位置的熱阻，從左到右分別為PN結內部的熱阻、結到固晶層的熱阻、結到焊盤的熱阻、結到PCB的熱阻、結到環境的熱阻，如圖8。我們測試的位置是燈條的LED負極焊腳S點，因此，第3個峰結到焊盤的熱阻就是我們需要測試的結果，從而得出尺寸為L2和L3時對應的熱阻為8.38 K/W和8.96 K/W，并在測試過程中得出電壓、Tj等參數。當尺寸為L3時，43英寸模組內部和恒溫槽內環境溫度Ta相同，且焊腳溫度Ts基本一致，此時尺寸L3的熱阻值可以等效為在43英寸模組內真實的熱阻。

圖2 模組內LED連接示意圖

圖3 恒溫槽內LED連接示意圖

圖4 瞬態溫度響應曲線（K系數）

圖5 樣品冷凝曲線（降溫曲線）

圖6 由K系數和冷凝曲線獲得瞬態溫度曲線

圖7 代入結構函數得到L2和L3尺寸對應的熱阻

圖8 LED不同位置熱阻示意圖

5   實驗數據及分析

通過上述的測試方法，得出43英寸模組內燈條LED的熱阻及相關光學參數，同樣的方式測得32英寸模組、50英寸模組、55英寸模組和65英寸模組，數據如表1。

表1 各種尺寸模組的數據

上述表中的環境溫度Ta，與模組內部的燈條數量及排布有很大關系，43UHD模組空間小，燈條數量多，因此模組內的環境溫度比其他尺寸模組大，對應的焊腳溫度Ts、結溫Tj和熱阻也大。

根據表中熱阻的測試結果，理論計算公式Rth =（Tj -Ts）/P，式中的Tj、Ts和P=IV可在測試過程中得出，推算理論熱阻是否與實驗結果接近。如43UHD模組中，當PCB尺寸為14 mm×10 mm時，環境溫度和焊腳溫度基本一致，實驗測試的熱阻為8.96 K/W，實驗過程可知Tj=74.3 ℃、Ts=60.3 ℃、P=IV= 1.509 2 W，則可得熱阻為9.14 K/W，實驗測試值與理論計算值接近。

6   結語

基本電學參數法測試LED的原理，利用“焊腳溫度、環境溫度”等效，通過設計相應的PCB規格，使T3ster熱阻測試儀可測量的待測LED模塊的焊腳及環境溫度，與真實模組或整機狀態里的LED焊腳及環境溫度相當，該模塊測得的熱阻即可等效為模組或整機狀態里的LED熱阻。本實驗結果證實上述方法可行并具有較高的可信度，通過這種等效的辦法，可以解決T3ster設備無法評價整機或模組狀態下的LED熱阻，真實還原在模組、整機內LED熱阻發熱狀態，提高整機、模組LED壽命評價方法的準確性、科學性，提升可靠性。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志社2020年12月期）