外部電壓源法測試大電壓LED器件／模塊熱阻

陳國龍，朱麗虹，郭自泉，張紀紅，呂毅軍，高玉琳，陳 忠

（廈門大學 電子科學系，福建省半導體照明工程技術研究中心，福建 廈門 361005）

LED的發光效率、峰值波長、色坐標、正向電壓、壽命等性能指標會受到器件工作溫度的影響，因而其散熱的好壞決定其性能的優劣，熱阻是衡量器件散熱性能的重要參數［1－3］。

1 電學參數法

電學參數法是目前測試LED熱阻運用最為廣泛的技術手段，利用半導體器件的結電壓與結溫具有良好線性關系的特性，通過測量PN結的正向壓降變化，達到測量LED器件的熱阻和結溫的目的，該分析手段具有快速、非破壞性等優勢［4］。國際熱特性測試標準IEC747－7［5］和國家標準 GB／T4023—1997、SBJ11394—2009和SJ20788—2000等都基于電學測試法［6－8］。

匈牙利MicRed公司的T3Ster／Teraled熱光參數測試儀基于電學參數法，通過采集LED器件的瞬態熱響應曲線實現其熱阻的測量；同時，在計算熱阻時，排除了光功率的影響（待測器件光功率可通過Teraled光參數測試儀測量，其中光學與熱學測量過程中，可對器件進行實時控溫）［9］。

T3Ster／Teraled熱光參數測試儀也可以單獨采用手動的方法，進行電壓溫度關系系數、光功率和光通量的測試，但測量光功率和光通量要先進行自校準操作。該儀器還提供了陰極電平漂移技術和采用外部電壓源供電模式兩種測試大電壓LED器件／模塊熱阻的方案。陰極電平漂移技術本質上就是采用負偏壓擴展技術，測量范圍只能擴展到15V［10］。如果待測器件超過15V，則需要采用外部電壓源供電模式。然而，目前仍沒有針對該儀器測試正向電壓大于15V的LED器件／模塊的相關報道。本文利用外部電壓源供電的方法擴展T3Ster／Teraled熱光參數測試儀的測試電壓范圍（最大可達到50V），實現了對大電壓LED器件／模塊熱阻的測量，對大電壓LED器件／模塊的熱阻測試具有實用和參考價值。

2 熱阻與結構函數

熱阻定義為熱流通道上的溫度差與通道上耗散熱功率之比，熱阻Rth的計算式為

式中：K為LED的電壓溫度關系系數；PH為LED損耗的熱功率；Pe為電功率；Pφ為光功率；VF1和VF2分別為LED加熱前后（加熱電流IH和測試電流IM同時加載待測器件）在測試電流IM下的電壓，IM應為小電流。

基于 Cauer網絡模型，V.Székely［11］最早提出了結構函數的方法來分析半導體器件的熱學特性。該方法通過測量器件在加熱或冷卻過程中的瞬態熱響應曲線，抽取與熱阻、熱容有關的器件結構函數，從而分析出器件的熱阻、熱容等重要熱參數。T3Ster／Teraled熱光參數測試儀正是基于電學法和結構函數理論測試瞬態熱阻。

3 外部電壓法原理

3.1 R－Driver模塊及外圍電路

T3Ster／Teraled的R－Driver模塊（電源開關驅動器和增壓控制模塊）見圖1，可以應用于串聯型LED或大電壓LED模塊熱阻的測試。為了實現此目標，需要提供一個比T3Ster／Teraled所提供的電壓或電流更大的外部電源。R－Driver模塊內有一個UDSmax＝50V和IDmax＝2A的 MOS場效應管電子開關。T3Ster／Teraled根據所施加外接電壓源大小不同，待測LED樣品電壓能得到較大范圍的擴展，在最大2A加熱電流下，LED樣品電壓可擴展到50V。

圖1 R－Driver模塊

R－Driver模塊有2個15針D－SUB連接器JP1和JP2，JP1用于測量控制，JP2有其他功能。基于測試電路原理圖的測試夾具見圖2。

圖2 外部電壓供電熱阻測試夾具圖

3.2 實驗原理

外部電壓供電熱阻測試實驗原理圖如圖3所示。

圖3 外部電壓供電熱阻測試電路圖

由圖3可知，在MOS場效應管電子開關（Switch）斷開的情況下（相當于測試電流IM下）有：

式中，r＝（R2＋R3）／R3。

由式（2）可見，一旦外接電阻R2和R3確定，ΔUR3與ΔUF有確定的線性關系，外部電壓法測試正是利用這一線性關系。

4 實驗及結果處理

4.1 實驗過程及注意事項

基于JP1接口的外部電壓供電法熱阻測試連接圖［12］見圖4。因為 T3Ster／Teraled測量通道能測量的電壓范圍為±5V，必須采用電壓分壓才能測試大電壓的LED模塊，圖4中的R2與R3實現分壓功能。R2和R3的阻值決定于LED模塊的閾值電壓和所選取測試電流的大小。為消除測試過程芯片自熱問題，通常選取的測試電流在1～20mA，因此R2與R3的數量級一般為數百至數千歐姆。

圖4 外部電壓供電熱阻測試連接圖

R1阻值取決于所測LED模塊需要的加熱電流和閾值電壓，該電阻用于防止過流，必須精確計算，R1的阻值應與R2和R3的串聯阻值有數量級的差異（R2＋R3?R1），以減少在加熱情況下R2和R3的串聯分流，有助提高測量精度。LED模塊的電壓利用R－Driver模塊內的數字電壓表（DVM）單元測量，加熱電流利用R－Driver模塊內的電流測量單元進行測量，通過測得電壓和電流值可計算器件的電功率。

連接LED模塊到測試夾具，然后連接測試夾具到T3Ster／Teraled相應的JP1、DVM 和 Meas.ch等接口，設定 R－Driver模塊上的開關在 PC位置，在T3Ster／Teraled控制軟件Configuration里選擇R＋D C－GND測量模式。

先設定外部電壓源為0V。在Set Parameters窗口里點擊OFF／ON，逐步增大外部電壓源電壓至LED模塊開始正常工作。在DVM窗口里觀察LED模塊的電壓降，即LED模塊的閾值電壓。電壓源減去閾值電壓后除以R2和R3的總電阻作為測試電流IM。如果電壓設置合適，在Set Parameters窗口里開關切換到ON／OFF（相當于加熱電流IH），監視LED模塊的電壓。如果電壓和電流合適，就可以設定measurement delay和measurement time這2個參數，點擊Start button開始測量。

測量完后，必須進行分壓補償。在.raw文件里相對應的電壓溫度關系系數K必須乘上r，或.par文件里電壓溫度關系系數CH－Sensit必須除以r，不然測試系統必須校準。

必須注意不合適的設置可能會造成器件的損壞，所以外部電壓源必須先計算。

4.2 實驗結果及數據處理

實驗樣品采用大電壓LED模塊，驅動電功率10W，在加熱電流350mA下正向電壓30V左右。根據上述的實驗步驟和要求，計算選取合適的器件參數：US＝31.08V，R1＝2.6（1W），R3＝500Ω，R2＝0。因為R2＝0，所以r＝1，所測的電壓溫度關系系數K值不必再進行修正。

實驗測得樣品的電壓溫度關系系數K如圖5所示，測得K＝－10.489mV／℃。熱沉溫度為25℃下樣品發出的光功率為2.736W。計算熱阻時，應扣除光功率的影響。按常規進行數據后處理，熱沉溫度25℃下樣品所測得的積分結構函數圖如圖6所示［13－15］，圖中Cth表示熱容。

圖5 樣品的電壓溫度系數

圖6 樣品的積分結構函數圖

5 結束語

本文在T3Ster／Teraled熱光參數測試儀R－Driver模塊性能的基礎上，根據外接電源電路參數的設計依據，合理計算外接電阻參數，成功地通過外部電壓法對正向電壓大于15V的LED器件／模塊開展熱阻測試分析。本文采用的外部電壓法拓展了熱阻儀測量范圍，使正向電壓大于15V、小于50V的LED器件／模塊的熱阻測試成為可能，具有實用價值。

（References）

［1］Chambers P，Austin Ed A D，Gunning M J，et al.Investigation of the peak power enhancement available from a surface emitting GaAlAs near－infrared light emitting diode by cooling and pulsing［J］.Measurement Science ＆ Technology，2003，14：2006－2014.

［2］李炳乾.1W級大功率白光LED發光效率研究［J］.半導體光電，2005，26（4）：314－316.

［3］余彬海，王浩.結溫與熱阻制約大功率LED發展［J］.發光學報，2005，26（6）：761－766.

［4］EIA／JEDEC Standard JESD5 1－1.Integrated Circuits Thermal Measurement Method－Electrical Test Method（Single Semiconductor Device）［S］.USA：ELECTRONIC INDUSTRIES ALLIANCE，1995：3－7.

［5］苗慶海，Yuan Miao，張德駿，等.關于國際電工委員會2000年版熱阻標準IEC 60747－7中△VBE與IE關系的討論［J］.自然科學進展，2004，14（8）：955－960.

［6］GB／T4023—1997半導體器件分立器件和集成電路第2部分：整流二極管［S］.北京：中國標準出版社，1997.

［7］SJ／T 11394—2009半導體發光器件測試方法［S］.北京：中國標準出版社，2009.

［8］SJ20788—2000半導體二極管熱阻抗測試方法［S］.北京：中國標準出版社，1997.

［9］高玉琳，呂毅軍，陳忠.結構函數在大功率LED熱阻測試中的應用［J］.半導體光電，2008，29（3）：329－331，443.

［10］陳國龍，雷瑞瑞，陳煥庭，等.負偏壓法測試大電壓LED器件／模塊熱阻 ［J］.實驗技術與管理，2012，29（4）：48－52.

［11］Székely V，Bien T V.Fine structure of heat flow path in semiconductor devices：A measurement and identification method［J］.Solid State Electron，1988，31（9）：1363－1368.

［12］MicReD Ltd.T3Ster Model 2000／100Hardware Reference Guide［M］.MicReD Ltd，2007.

［13］MicReD Ltd.T3Ster－Master Thermal Transient Evaluation Tool for Win32［M］.MicReD Ltd，2007.

［14］MicReD Ltd.Teraled Measurement Control and Evaluation Tool［M］.MicReD Ltd，2006.

［15］MicReD Ltd.Teraled Measurement Results Evaluation Tool［M］.MicReD Ltd，2006.