一種功率型led集成模塊熱阻測試新方法

2023-09-18 04:53:45 3

一種功率型led集成模塊熱阻測試新方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用瞬態熱響應曲線測量功率型LED集成模塊熱阻的方法及裝置。利用瞬態熱響應測量LED集成模塊熱阻的方法，其特徵在於：在功率型LED集成模塊安置於兩款不同規格型號散熱器，採用恆流電源驅動待測器件，同時利用高精度電壓數據採集儀分別測量器件固定於兩款散熱器情況下的正向電壓變化曲線，記錄器件正向電壓初始值V1和分離拐點對應電壓值V2；通過加載佔空比很小的脈衝電流，避免晶片產生自熱，利用控溫冷板間接調節LED結溫，進而通過待測器件電壓-結溫-時間之間內在聯繫分析計算獲得功率型LED集成模塊的熱阻。本發明可用於精確測量功率型LED集成模塊熱阻。
【專利說明】一種功率型LED集成模塊熱阻測試新方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明屬於半導體、光學等【技術領域】，對功率型LED集成模塊的熱阻特性進行精確測量的技術。
[0003]
【背景技術】
[0004]對於LED集成模塊而言，熱阻是一個重要參數，它的大小將直接影響其光學效率及可靠性。如何準確測試熱阻是研究功率LED集成模塊熱學特性的核心問題。目前可通過不同種方法測試LED器件的結溫，應用最為廣泛的是電學測試方法，中國電子科技集團第十三所張萬生教授課題組依據GB/T4587-94標準研製開發的NC2991電晶體熱阻測試儀，北京工業大學馮士維教授通過加熱曲線的階梯形狀推算器件熱阻。S6kely教授提出採用瞬態熱響應測試方法，通過結構函數理論計算獲取器件內部熱阻-熱容信息。據目前器件熱阻測試方法，若需要獲得LED結至鋁基板的熱阻主要通過兩種方式:1.傳統電學測試方法，檢測正向電壓變化幅度，基於電壓溫度係數計算結溫，同時將溫度傳感器固定於鋁基板，探測其溫度，最終計算結至鋁基板的熱阻。2.在瞬態熱響應測試過程中，實時測量PN結正向電壓變化曲線，基於電壓溫度係數計算PN結的溫度變化曲線，再利用結構函數理論，計算器件內部各層材料的熱阻-熱容分布信息，最終可提取結至鋁基板區域的熱阻。但上述熱阻方法都有一定局限性，兩種方法都需要校準電壓溫度係數，傳統電學測試方法由於溫度傳感器安置於鋁基板正上方，嚴格上說，將會低估實際熱阻值；瞬態熱特性測試方法則需要複雜的結構函數理論才能計算 獲得器件內部各層熱阻-熱容分布信息；另一方面需要特別指出LED集成模塊由於正向電壓較大，通常情況都超出了熱阻測試儀器的量程範圍，因此造成在集成模塊熱學特性測試評價中的技術空白。因此本發明旨在提出一種不需溫度係數校準、溫度傳感器以及結構函數理論，但能測量出LED集成模塊熱阻的新方法。
[0005]

【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種新的測試功率型LED集成模塊的方法，該方法不需溫度係數校準、溫度傳感器以及結構函數理論，並能準確測試LED集成模塊熱阻。
[0007]為實現上述目的，本發明提供的測試方法包括以下步驟:功率型LED集成模塊安置於兩款不同散熱器HS1和HS2,選擇的兩款散熱器的基板面積、厚度、肋片和釘柱尺寸、位置參數保持一定差異，功率型LED集成模塊與散熱器之間塗抹均勻高熱導率界面矽脂。
[0008]恆流電源驅動兩組器件正常工作，驅動電流為IH，通過高精度電壓數據採集儀測量器件電壓變化曲線，記錄器件正向電壓初始值V1和分離拐點對應電壓值V2。
[0009]將待測器件與控溫冷板之間塗抹均勻高熱導率界面矽脂，並通過特定夾具固定待測器件與控溫冷板之上，脈衝電源驅動待測器件電流為Ih佔空比要求很小，與恆流電源驅動器件的工作電流保持一致。
[0010]調節冷板溫度I\、T2直至器件正向電壓為VpV2，再由冷板溫度?\、τ2之間的溫差，根據熱阻的定義計算得到功率型LED集成模塊熱阻。
[0011]由上述步驟以及所採用的測試原理可見，本發明與目前普遍採用電學測試方法的關鍵區別點在於，目前採用電學測試方法需要通過溫度係數校準、溫度傳感器或結構函數理論，才能計算出LED集成模塊熱阻。
[0012]而本發明是基於LED瞬態熱學響應理論模型，揭示LED系統中器件和散熱器材料的溫度響應時間、時間常數譜、正向電壓之間的聯繫規律；將LED系統劃分為二階時間常數的熱阻熱容模型，LED集成模塊封裝材料的時間常數為τ LED,散熱器HSp HS2的溫度響應時間常數分別為τ HS1、τ HS2,依據材料溫度響應特性，τ _與τ HS1> τ HS2為不同數量級的時間常數，通過此特性可揭示在不同時間區域下，器件及散熱器各自溫升幅度的內在規律，在測量過程中，通過高精度電壓採集儀記錄器件初始電壓V1和分離拐點電壓V2,由於施加在待測器件上的是佔空比很小的脈衝電流，因此其發熱量對器件溫度場分布影響很小，結合控溫冷板間接調節器件內部結溫，進而計算獲得器件內部結面至散熱器交界面的熱阻，此過程不需要溫度係數校準和溫度傳感器，不受待測器件正向電壓範圍的限制，而且不需要採用昂貴的專用瞬態熱阻測試儀器的結構函數理論。由此可見本發明簡單有效，並保證了測試功率型LED集成模塊熱阻的準確性。
[0013]本發明的優點在於:測試過程中無需昂貴的專用測試設備，利用恆流電源、電壓採集儀、脈衝電源、控溫冷板等通用設備即可進行測量，大部分用戶都具有該發明所需測量條件，不但降低了測試成本，而且便於操作，因此該發明具有重要推廣以及應用價值。
[0014]【專利附圖】

【附圖說明】
`[0015]圖1是散熱器HS1結構主視圖示意圖 圖2是散熱器HS2結構主視圖示意圖
圖3是功率型LED集成模塊的示意圖 圖4是一種功率型LED集成模塊熱阻測試裝置的結構框圖 圖5是正向電壓響應曲線示意圖
圖6是電流脈衝與控溫冷板間接調節待測器件內部溫度示意圖【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本本發明做進一步詳細說明。
[0017]功率型LED集成模塊安置於散熱器之上，圖1中散熱器HS1為肋片板式，編號I為肋片板式散熱器HS1的基板，編號2為肋片板式散熱器HS1的肋片，圖2中散熱器HS2為釘柱叉排式，編號3為釘柱叉排式散熱器HS2的基板，編號4為釘柱叉排式散熱器HS2的釘柱。散熱器HS1和HS2區別在於:肋片板式散熱器HS1由於光滑肋片具有「梳流」作用，氣流在散熱器肋片壁面上形成了較厚的層流底層，其換熱效果較差。在釘柱叉排式散熱器，交錯分布的釘柱可有效破壞了散熱器HS2基底的層流底層，增強了流體擾動，其換熱效果較好。選擇的兩款散熱器的基板面積1、肋片2和釘柱2尺寸參數保持一定差異，如圖1，2所示。
[0018]如圖3所示，編號為5為LED集成模塊的正電極，編號6為LED集成模塊的負電極，6分別連接2條導線與恆流源、高精度電壓採集儀連接。高熱導率導熱矽脂7與LED集成模塊底部面積基本相同。
[0019]圖4是一種功率型LED集成模塊熱阻測試裝置的結構框圖。通過恆流源分別驅動LED集成模塊正常工作，驅動電流為IH，通過高精度電壓數據採集儀測量器件電壓變化曲線，如圖4所示，記錄兩組待測器件正向電壓隨時間變化曲線初始值V1，兩組曲線分離拐點對應電壓值V2.[0020]LED集成模塊的溫度響應時間常數為τ LED,散熱器HS1和HS2的溫度響應時間常數分別為Ths+ \_2，因此當熱流在器件內部流動過程，兩組樣品的溫度響應曲線理論上保持一致，當器件內部熱流分別經過兩款散熱器過程，由於散熱器時間常數^㈠與ths_22間的差異，將導致溫度響應曲線分離，基於半導體材料正向電壓與溫度之間存在線性關係，兩組待測器件電壓變化曲線也將出現分離拐點V2，待測器件正向電壓隨時間的變化曲線可用公式表示為:
【權利要求】
1.功率型LED集成模塊熱阻測試方法，其特徵在於:在功率型LED集成模塊安置於兩款型號不同散熱器HS1和HS2，利用恆流電源驅動兩組器件正常工作，驅動電流為Ih，與此同時通過高精度電壓數據採集儀測量器件電壓變化曲線，記錄器件正向電壓初始值V1和分離拐點對應電壓值V2 ;通過加載佔空比很小的脈衝電流IH，避免晶片產生自熱，通過控溫冷板間接調節待測器件結溫，進而通過功率型LED集成模塊電壓-結溫-時間之間內在聯繫分析計算獲得功率型LED集成模塊的熱阻。
2.根據權利要求1所述功率型LED集成模塊安置於散熱器HSJPHS2其特徵在於:選擇的兩款散熱器的基板面積、厚度、肋片和釘柱尺寸、位置參數保持一定差異，由於功率型LED集成模塊的溫度響應時間常數為τ LED,散熱器HS1和HS2的溫度響應時間常數分別為ττ HS_2，因此當熱流在待測器件內部流動過程，待測器件在兩款散熱器情況下的溫度響應曲線理論上保持一致，當待測器件內部熱流分別經過兩款散熱器過程，由於散熱器時間常數Tf1與ths_2之間的差異，將導致溫度響應曲線分離，基於半導體材料正向電壓與溫度之間存在線性關係，由高精度電壓數據採集儀測量兩組待測器件電壓變化曲線也將出現分離拐點N 2。
3.根據權利要求1所述功率型LED集成模塊熱阻測試的裝置，其特徵在於在功率型LED集成模塊與散熱器之間塗抹均勻高熱導率界面矽脂，恆流電源與功率型LED集成模塊串聯，同時由高精度電壓採集儀並聯於待測器件並實時測試其正向電壓變化曲線；將待測器件與控溫冷板之間塗抹均勻高熱導率界面矽脂，並通過特定夾具固定待測器件與控溫冷板之上，脈衝電源驅動器件電流為IH，與恆流電源驅動器件的工作電流保持一致。
4.根據權利要求3所述利用脈衝電源Ih以及控溫冷板調節結溫的方法，其特徵在於功率型LED集成模塊獨特的封裝特點，其內部絕大部分熱流是通過底部銅塊或陶瓷基板傳遞到控溫冷板之上，因此在無加載驅動電流情況下，待測器件的結溫近似等於控溫冷板溫度；由於加載於器件的脈衝電流Ih佔空比要求很小，此條件下可近似認為脈衝電流Ih無產生熱量，此時器件內部的結溫近似仍等於冷板溫度，通過調節控溫冷板溫度就可間接調節器件內部結溫。
5.根據權利要求4所述通過控`溫冷板間接調節待測器件內部結溫，其特徵在於調節冷板溫度改變待測器件結溫，基於半導體材料正向電壓與溫度之間的線性關係，調節冷板溫度TpT2直至待測器件正向電壓為Vp V2，再由冷板溫度?\、τ2之間的溫差，根據熱阻的定義計算得到功率型LED集成模塊熱阻。
【文檔編號】G01R31/26GK103823170SQ201210484705
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年11月16日 優先權日:2012年11月16日
【發明者】陳煥庭, 周小方, 楊偉藝, 羅毅 申請人:閩南師範大學