LED热学参数测试研究

LED 测试方法及要求半导体发光二极管（led）是新型的发光体，电光效率高、体积小、寿命长、电压低、节能和环保，是下一代理想的照明器件。

LED光电测试是检验LED光电性能的重要而且唯一的手段，相应的测试结果是评价和反映当前我国LED产业发展水平的依据。

制定LED光电测试方法的标准是统一衡量LED产品光电性能的重要途径，是使测试结果真实反映我国LED产业发展水平的前提。

本文结合最新的LED测试方法的国家标准，介绍了LED的光电性能测试的几个主要方面。

一、引言半导体发光二极管（LED）已经被广泛应用于指示灯、信号灯、仪表显示、背光源、车载光源等场合，尤其是白光LED技术的发展，LED在照明领域的应用也越来越广泛。

但是过去对于LED的测试没有较全面的国家标准和行业标准，在生产实践中只能以相对参数为依据，不同的厂家、用户、研究机构对此争议很大，导致国内LED产业的发展受到严重影响。

因此，半导体发光二极管测试方法国家标准应运而生。

二、LED测试方法基于LED各个应用领域的实际需求，LED的测试需要包含多方面的内容，包括：电特性、光特性、开关特性、颜色特性、热学特性、可靠性等。

1、电特性LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。

由图1可知，LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压，LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。

通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED的最佳工作电功率。

图1：LED伏安特性曲线LED电特性的测试一般利用相应的恒流恒压源供电下利用电压电流表进行测试。

2、光特性类似于其它光源，LED光特性的测试主要包括光通量和发光效率、辐射通量和辐射效率、光强和光强分布特性和光谱参数等。

（1）光通量和光效有两种方法可以用于光通量的测试，积分球法和变角光度计法。

LED的电学、热学及光学特性研究1. 简介众所周知，LED的有效光辐射（发光度和/或辐射通量）严重受其结温影响（如图一所示，数据来源于Lumileds Luxeon DS25 的性能数据表）。

（点击图片查看原图）图1：一组从绿光到蓝光以及白光的LED 有效光辐射随结温的变化关系单颗LED 封装通常被称为一级LED，而多颗LED 芯片装配在同一个金属基板上的LED 组件通常被称为二级LED。

当二级LED 对光的均匀性要求很高时，结温对LED 发光效率的影响这个问题将十分突出[1]。

文献[2]中提到，可以利用一级LED 的电、热、光协同模型来预测二级LED 的电学、热学及光学特性。

前提是需要对LED 的散热环境进行准确建模。

本文第2 节中我将讨论怎样通过实测利用结构函数来获取LED 封装的热模型，并将简单描述一下我们用来进行测试的一种新型测试系统。

第3 节中，首先我们回顾了电-热仿真工具的原理，然后将此原理扩展应用到板级的热仿真以帮助优化封装结构的简化热模型。

在文章的最后我们将介绍一个应用实例。

2. 建立LED 封装的简化热模型关于半导体封装元器件的简化热模型（CTMs）的建立，学术界已经进行了超过10 年的讨论。

现在，对于建立封装元器件特别是IC封装的独立于边界条件的稳态简化热模型（CTMs），大家普遍认同DELPHI 近似处理方法[3][4][5]。

为了研究元器件的瞬态散热性能，我们需要对CTM 进行扩展，扩展后的模型称之为瞬态简化热模型（DCTMs）。

欧盟通过PROFIT 项目[7]制定了建立元器件DCTM 的方法，并且同时扩展了热仿真工具[6]的功能以便能够对DCTM 模型进行仿真计算。

∙当CTM 应用在特定的边界条件下或者封装元器件自身仅有一条结-环境的热流路径，则可以用NID（热阻网络自定义）方法[8]来对元件进行建模。

2.1 直接利用测试结果建立LED 封装的模型仔细研究一个典型的LED 封装及其典型的应用环境（图2），我们会发现，LED 芯片产生的热量基本上是通过一条单一的热流路径：芯片-散热块-MC PCB基板，流出LED 封装的。

CIE与IEC的LED参数测量标准引言LED 技术虽然已经有40 多年的发展历史,在产业界依然存在LED 光学参数测试再现性差,测量不确定度大,不同测试装置之间的测试结果一致性差等现象[1～3 ] 。

究其原因,如同国内对LED 产业存在多头管理,国际上也一样: 国际半导体设备与材料组织(SEMI) ,国际电工委员会( IEC) 和国际照明委员会(CIE) 都程度不同地涉及到LED ,尤其是后两个委员会。

正是由于LED 的相关测量标准是由国际上不同的标准化组织制定的,而且各个国际组织总体上没有系统的规划,相关组织间也没有充分协商,因而存在不同的质量评价体系,所颁文件的技术内容也不尽相同。

IEC 成立于1906 年,它把LED 作为一个显示用半导体器件处理,侧重于它的物理特性。

CIE 成立于1913 年,它更多地把LED 作为一个光源器件处理,所以导致各自的LED 测量标准之间存在微小的差异。

本文试图通过比较各自的标准,找出两者的不同之处,以便为LED 测试方法标准的最终定稿提供一些参考。

1 CIE 和ICE 对同一事件的不同表述1.1 发光(辐射) 效能的定义首先,必须修正对这个术语的误解,发光(辐射)效率(efficiency) 用在此文中是不妥的,因为效率是指无量纲的物理量,而此处是有量纲的。

所以,正确的叫法是“发光(辐射) 效能(efficacy) ”。

发光(辐射) 效能的定义:CIE 定义:LED 发出的光通量(辐射通量) 与耗费电功率之比。

IEC 定义:LED 发出的光通量(辐射通量) 与耗费正向电流之比[4 ] 。

评论:CIE 的发光效能要测3 个物理量:总光通量,正向电流,正向电压(或内阻) 。

而IEC 只需测量两个物理量:总光通量、正向电流。

它没有选择正向电压是很明智的,因正向电压会随管芯温度的升高而下降。

作者认为,IEC 的定义是不够严谨的。

因为即使对于同一批次的管芯和封装,管芯的内阻及端电压存在微小差异,所以仅适用于对发光(辐射) 效能允许有一定变动范围的情况。

大功率LED热学特性研究（课题实验）发光二极管（Light Emitting Diode, LED）在过去十几年里有了飞速的发展，逐渐突破了仅能作为低功率指示灯光源的限制，被广泛应用于日常照明和显示等领域[1-2]。

LED是通过外电流注入的电子和空穴在耗尽层中复合，以辐射复合产生光子而发光，同时也会有部分复合能量传递给晶格原子或离子，发生非辐射跃迁，这部分能量转换成热能损耗在PN结内。

对于小功率LED来说这部分热量很小可以不作考虑。

然而，对于大功率照明用LED而言，其发热量大幅提高，直接影响到了LED的发光效率和器件的使用寿命，以及引起波长的漂移，造成颜色不纯等一系列问题。

因此，研究功率型LED的热学与发光特性不仅涉及半导体物理的基础问题，也是目前光电工程领域的开发热点[3-4]。

一、实验原理简介1. 脉冲法测量结温准确测量LED的结温是研究LED热学特性的基础。

LED灯的基本结构如图1所示，其芯片的核心结构是一个半导体的PN结，所谓LED的结温指的就是PN结的温度。

由于PN 结的尺寸很小，又被荧光材料和树脂胶包裹，无法直接测量其温度，因此常用间接法来测量结温。

本实验仪器采用一种较为新颖的脉冲法测量结温，该方法于2008年由美国NIST实验室提出[7]。

其核心思想是通过脉冲电流来限制结温TJ的上升，使之与器件表面可测量温度TB接近一致。

当给待测LED灯通入一个幅值为额定值的脉冲电流时，芯片在脉冲内正常发光并升温，但由于电流占空比很小，芯片温度会在一个较长的电流截止状态下降低到和表面温度一致。

从整体效果来看，只要脉冲占空比足够小，LED的芯片温度能维持和表面温度一致，如图2所示。

这样，只要借助温控仪就能在脉冲电流下定标出芯片两端的电压‒温度曲线。

由于在电流一定时，特定PN结的压降仅和结温有关，所以在有了LED的电压‒温度曲线后，只需测量正常工作时LED两端的电压就可以得到其实际的结温。

图1 功率型LED 基本结构示意图图2 （a ）LED 在不同占空比的脉冲电流下结温随时间的变化示意图；（b ）待测LED 灯珠在脉冲电流和稳流状态下点亮时，器件表面温度随时间的变化曲线。

LED散热器热特性数值分析及优化设计的开题报告一、课题背景随着LED照明技术的不断发展和进步，LED灯具的使用越来越广泛，应用范围包括家庭照明、工业照明、汽车照明等领域。

LED灯具具有节能、环保、寿命长等优点，因此备受青睐。

然而，LED灯具在使用过程中也存在一些问题，其中最重要的问题就是散热不良。

LED芯片在工作时会产生大量的热量，如果无法及时散热，会导致LED灯具的使用寿命缩短、光效下降等问题。

因此，LED散热器的设计和优化变得非常重要。

二、研究内容本课题的研究内容主要包括以下几个方面：1. 对LED散热器的热特性进行数值分析，掌握LED散热器的散热性能。

2. 根据数值分析的结果，对LED散热器的设计进行优化，提高散热性能。

3. 利用实验验证数值分析和优化设计的正确性。

三、研究方法本课题研究采用数值计算和实验相结合的方式进行。

1. 数值计算方面，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）软件模拟LED散热器的热特性，在模拟过程中考虑导热、对流、辐射等热传递机制，得到LED散热器的热分布和温度场分布。

2. 实验方面，通过制作LED散热器样品，在实验室内进行散热实验，测量LED散热器的温度、热流量等参数，对数值分析结果进行验证。

四、研究意义本课题的研究意义在于：1. 提高LED灯具的使用寿命和光效，降低故障率和维修成本。

2. 为开发新型LED散热器提供理论和实验基础，促进LED照明技术的发展。

3. 对于其他高功率电子器件的热管理，也具有借鉴意义。

五、进度安排1. 第一阶段（1-2周）：研究LED散热器的热传递机制，学习CFD 软件的使用方法。

2. 第二阶段（3-4周）：编写CFD模拟程序，对LED散热器进行数值模拟，得到LED散热器的温度场分布和热分布。

3. 第三阶段（5-6周）：分析数值模拟结果，对LED散热器进行优化设计，提高散热性能。

4. 第四阶段（7-8周）：制作LED散热器样品，进行实验验证数值模拟和优化设计的正确性。

LED照明灯具的热分析 技术 照明灯具的热分析 --- ANSYS有限元分析 有限元分析包刚强 西希安工程模拟软件(上海 有限公司 西希安工程模拟软件 上海)有限公司 上海西希安工程模拟软件(上海 有限公司 西希安工程模拟软件 上海)有限公司 上海 CCA Engineering Simulation Software (Shanghai) Co. Ltd.LED照明的散热问题 Part I LED照明的散热问题灯具研发： 多学科技术的综合应用CCA2西希安工程模拟软件(上海)有限公司LED照明的散热问题 Part I LED照明的散热问题LED照明的散热问题LED照明优势 LED照明优势响应时间纳秒级 安全低电压 环保无污染 节能 寿命长 适用性广 稳定性好 抗震性好VS LED照明劣势 LED照明劣势发光效率 散热问题后果 原因 外加电能量作用 电致发光 电流注入效率 电子和空穴辐射 半导体和封装介质 芯片外部光取出效率 PN结辐射光辐射发光量子效率30-40％ 30-40％光能60-70％ 60-70％热能光效率每升高10℃导致光衰 每升高 ℃导致光衰5~8%寿命每升高10℃ 每升高 ℃导致寿命减半CCA3西希安工程模拟软件(上海)有限公司Part II 热设计仿真分析的优势LED照明的热设计高温影响光效率 寿命 低熔点焊缝开裂 焊点脱落 材料热老化 元器件损害热设计目的 热设计控制产品所有电子元器件温度 工作环境不超过标准最高温度 元器件热应力分析 产品每一元器件可靠性与失效率一致电子产品（机箱） 电子产品（机箱）进风口 风道 散热器 风扇 冷板 空气流动分析LED照明 LED照明VSLED芯片 LED芯片 散热器 基板 封装材料 外部结构CCA4西希安工程模拟软件(上海)有限公司Part II 热设计仿真分析的优势热设计仿真分析的优势热设计仿真相比传统热设计的优势传统热设计特点加快产品研发周期 提高产品性能及可靠性 降低设计生产和重复设计生产费用 减少试验和测量次数可靠性取决设计者经验 试验验证成本高、 试验验证成本高、周期长 疏漏更好设计方案 产品研发成本高CCA5西希安工程模拟软件(上海)有限公司Part II 热设计仿真分析的优势LED照明产品研发流程中的仿真分析CCA6西希安工程模拟软件(上海)有限公司热分析仿真软件ANSYS Part III 热分析仿真软件ANSYSANSYS软件功能模块CCA7西希安工程模拟软件(上海)有限公司热分析仿真软件ANSYS Part III 热分析仿真软件ANSYSANSYS仿真分析的典型流程ANSYSCCA8西希安工程模拟软件(上海)有限公司热分析仿真软件ANSYS Part III 热分析仿真软件ANSYSANSYS软件热分析能力 传导材料热传导系数 施加温度（热流率或者 热生成率载荷） 热量通过固体结构传递 达到热平衡ANSYS/Multiphysics ANSYS/Mechanical ANSYS/Professional ANSYS/FLOTRAN对流对流换热系数和环境流 体温度 表面热流量辐射辐射杆单元（LINK31） 使用含热辐射选项的表面效应单元（SURF151-2D,SURF152-3D） 在AUX12中，生成辐射矩阵，作为超单元参与热分析 使用Radiosity求解器方法CCA9西希安工程模拟软件(上海)有限公司热分析仿真软件ANSYS Part III 热分析仿真软件ANSYSANSYS较其它热分析软件的优势有限体积法 有限元法 Flotherm Ansys I-deas Ice-pack Tas－Harvard thermal Cool it Betasoft电子产品热仿真分析设计软件计算传热学技术（NTS） 计算传热学技术（NTS） 计算流体力学技术（CFD） 计算流体力学技术（CFD）验证、 验证、优化热设计方案 满足产品快速开发 显著降低产品验证热测试ANSYS 优势复杂流动与专用流体软件联合分析方便 热应力应变分析 热疲劳分析 热致结构失效分析 优化分析便利CCA10西希安工程模拟软件(上海)有限公司西希安工程模拟软件(上海)有限公司CCALED路灯灯具的结构Part IV LED Part IV LED路灯灯具散热分析案例路灯灯具散热分析案例LED LED路灯路灯路灯（（140W 140W））灯具结构11西希安工程模拟软件(上海)有限公司CCALED路灯灯具ANSYS热仿真分析过程Part IV LED Part IV LED路灯灯具散热分析案例路灯灯具散热分析案例接触定义有限元网格边界条件材料属性12西希安工程模拟软件(上海)有限公司CCALED路灯灯具ANSYS热仿真结果Part IV LED Part IV LED路灯灯具散热分析案例路灯灯具散热分析案例LED LED路灯灯具温度分布路灯灯具温度分布散热器肋片温度分布散热器肋片热通量分布散热器基板温度分布13西希安工程模拟软件(上海)有限公司CCALED路灯灯具ANSYS热仿真结果Part IV LED Part IV LED路灯灯具散热分析案例路灯灯具散热分析案例LED LED路灯灯具热通量分布路灯灯具热通量分布热分析误差估计基板底座与LED 芯片接触主要功能在于将热量传导到散热器上散热器是传导过程终点通过巨大的散热面积与空气进行热交换最终将热量散失到空气中14西希安工程模拟软件(上海)有限公司CCALED路灯散热的影响因素Part IV LED Part IV LED路灯灯具散热分析案例路灯灯具散热分析案例LED LED 路灯散热的影响因素路灯散热的影响因素热阻，结构构件间热阻影响表面对流系数，散热系数，空气热交换，散热主渠道 材料，热传导系数影响 散热片散热面积影响 铝基板LED 颗粒功率分布 散热片形状设计，肋片分布影响 辐射系数影响外部环境影响（外部温度，海拔高度）晶片PN 结到外延层 外延层到封装基板封装基板到外部冷却装置再到空气散热问题涉及的环节15西希安工程模拟软件(上海)有限公司CCALED路灯灯具的热传导系数灵敏度分析-1Part IV LED Part IV LED路灯灯具散热分析案例路灯灯具散热分析案例Q=K Q=K××A ×Δ×ΔT/T/T/ΔΔL热量传递大小vs 热传导系数vs 热传热面积vs 距离vs 温度差热传递系数越高热传递系数越高、、热传递面积越大热传递面积越大，，传输的距离越短热传导能量就越高热传导能量就越高，，越容易带走热量银和铜是最好的导热材料其次金和铝但金但金、、银太过昂贵目前散热片主要由铝和铜制成由于铜密度大由于铜密度大，，工艺复杂工艺复杂，，价格较贵通常风扇多采用较轻铝制成风冷散热器考虑材质热传导系数外还须考虑散热器热容量16西希安工程模拟软件(上海)有限公司CCALED路灯灯具的热传导系数灵敏度分析-2Part IV LED Part IV LED路灯灯具散热分析案例路灯灯具散热分析案例KXX=120W/mKKXX=401W/mK KXX=401W/mK（（正侧正侧））KXX=180W/mKKXX=401W/mK(KXX=401W/mK(背侧背侧背侧））17西希安工程模拟软件(上海)有限公司CCALED路灯灯具的热传导系数灵敏度分析-3Part IV LED Part IV LED路灯灯具散热分析案例路灯灯具散热分析案例ANSYS DESIGNXPLORE WHAT IF 灵敏度分析优化鲁棒性分析可靠性DOEOPTISLANGOPTIMUS专用优化软件18西希安工程模拟软件(上海)有限公司CCALED路灯灯具的空气对流系数灵敏度分析-1Part IV LED Part IV LED路灯灯具散热分析案例路灯灯具散热分析案例热量传递大小vs 热对流系数vs 热传热面积vs 温度差热对流系数越高热对流系数越高、、热传递面积越大热传递面积越大，，温度差越大热对流能量就越高热对流能量就越高，，越容易带走热量Q=H Q=H××A ×Δ×ΔT T自然对流垂直表面hcs=1.414(△t/L)0.25 ，w/m.k式中: △t--散热表面与环境温度的平均温升散热表面与环境温度的平均温升，，℃L--散热表面的特征尺寸散热表面的特征尺寸，，取散热表面的高取散热表面的高，，mhct=1.322(△t/L)0.25 ，w/m.k式中: △t--散热表面与环境温度的平均温升散热表面与环境温度的平均温升，，℃L--散热表面的特征尺寸散热表面的特征尺寸，，取L ＝2(长×宽)/(长＋宽)，mhcb=0.661(△t/L)0.25 ，w/m.k式中: △t--散热表面与环境温度的平均温升散热表面与环境温度的平均温升，，℃L--散热表面的特征尺寸散热表面的特征尺寸，，取L ＝2(长×宽)/(长＋宽)，m 自然对流VS 强制对流强迫对流层流Ref<105湍流Ref>105肋片效率η=th(mb)/(mb))δ0：肋片根部厚度(m)19西希安工程模拟软件(上海)有限公司CCALED路灯灯具的空气对流系数灵敏度分析-2Part IV LED Part IV LED路灯灯具散热分析案例路灯灯具散热分析案例热膜系数5W/m 2K(K(正侧正侧正侧））热膜系数5W/m 2K （背侧背侧））热膜系数100W/m 2K热膜系数20W/m 2K20西希安工程模拟软件(上海)有限公司CCA LED路灯灯具的空气对流系数灵敏度分析-3Part IV LED Part IV LED路灯灯具散热分析案例路灯灯具散热分析案例ANSYS DESIGNXPLORE21西希安工程模拟软件(上海)有限公司CCA LED路灯灯具散热器的设计灵敏度分析-1Part IV LED Part IV LED路灯灯具散热分析案例路灯灯具散热分析案例散热器冷却方式判据散热器设计经验总结通风条件较好场合通风条件较好场合：：散热器表面热流密度小于0.039W/cm2，采用自然风冷采用自然风冷。

LED热特性和寿命的检测技术摘要：热学特性和寿命是LED的两大重要性能，受到人们的高度重视，且二者之间存在关联。

然而，对这两大性能参数的检测却具有挑战性。

本文根据国内外相关标准的要求和最新研究，综合分析了LED热特性参数和寿命指标的检测要求和方法，同时介绍了国内外的先进检测设备及特点。

1 概述近年来，LED照明技术快速发展，在LED的光效、色温、显色性等光色指标备受关注的同时，LED的热学特性和寿命也越来越受到人们的重视，特别是热学特性，对LED光色电的性能和寿命有着显著的影响。

然而，对热学特性和寿命的检测具有挑战性。

LED的热学特性主要包括LED结温、热阻、瞬态变化曲线（加热曲线、冷却曲线）等。

结温是指LED的PN结温度，热阻是指LED散热通道上的温度差与该通道上的耗散功率之比，用于表征LED的散热能力，研究表明，LED的热阻越低其散热性能越好，相应的LED光效一般也越高，寿命越长。

检测热学特性的关键在于对LED结温的准确测量，现有的对LED结温的测试一般有两种方法：一种是采用红外测温法测得LED芯片表面的温度并视其为LED的结温，但是准确度不够；另一种是通过温度敏感参数（temperature-sensitive parameter，简写为TSP）获取PN结温，这是目前较普遍的LED结温测试方法，其技术难点在于对测试设备要求较高。

LED的寿命主要表现为它的光衰，通常把LED光输出衰减到初始光输出的70%或50%作为判断寿命失效的指标，即光通量维持寿命。

但由于LED是高可靠性器件，寿命一般都会超过几千小时甚至是一万多小时，直接测量等待光衰到指定值的做法在工业上的应用十分困难。

2 LED热学特性测试2.1 LED结温和热阻的测量美国EIA/JESD51 《Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages 》系列标准和国家标准SJ20788-2000 《半导体二极管热阻抗测试方法》、GB/T4023-1997《半导体器件分立器件和集成电流第2部分：整流二极管》、QB/T 4057-2010《普通照明用发光二极管性能要求》等国际国内标准都较为详细地介绍了通过温度敏感参数TSP测量结温和热阻的方法。