熱測量用于各種應用，包括led、激光二極管和VCSELs。測量采用電氣測試方法(ETM)，分為兩大類:測量器件的結溫，以及確定熱阻，包括測量從結溫到外部點的熱路徑。固態(tài)設備科學家使用這些熱測量來了解和改進設備，測試工程師在進行光學測量時使用這些熱測量，燈具/固定裝置設計師使用這些熱測量來了解照明產(chǎn)品的熱性能。
尖峰安全脈沖SMU
SpikeSafe SMU支持所有這些測量，從簡單的Tj評估到使用結構函數(shù)的復雜熱分析。SMU在熱測量過程中使用其初級和偏置電流源為LED或激光器供電，其數(shù)字化儀記錄正向電壓(VF)計算溫度所需的讀數(shù)。該電壓數(shù)據(jù)隨后由外部軟件處理，以完成所需的測量。
支持的LED和激光熱測量包括:
單個led或燈具的原位Tj
光度測量期間的Tj變化
脈沖操作期間的Tj上升
熱阻
使用結構函數(shù)的熱路徑分析
下面將更詳細地解釋每種測量方法。描述了Vektrex為特定應用提供的組件。
定制軟件(參見Python示例)也可用于使用SpikeSafe SMU進行自動熱測量。
單個led或燈具的原位Tj測量
結溫(Tj)是LED或激光二極管半導體結的工作溫度。工作時，半導體的Tj高于周圍環(huán)境，半導體中散發(fā)的熱量流經(jīng)包括各種封裝組件(如焊料、MCPCB和散熱器)的路徑。下圖對此進行了說明。
Tj對激光器或LED的長期可靠性有直接影響。較高的原位Tj導致長期可靠性降低。溫度超過150℃時，設備可能會立即失效。Tj還會影響發(fā)光二極管和激光器的工作特性。例如，琥珀色LED的光輸出會隨著結溫的升高而急劇下降。
LED制造商通常提供特定Tj下的性能規(guī)格，以及允許計算其他溫度下性能的降額系數(shù)。使用這些值，以及實際的現(xiàn)場測量，產(chǎn)品設計師驗證產(chǎn)品將在其宣傳的規(guī)格范圍內運行。
原位結溫是器件(例如LED)在其工作環(huán)境中的Tj。例如，操作環(huán)境可以是老化固定裝置、封閉的燈具或安裝設備的任何其他環(huán)境。
原位Tj可以用兩種方法測量:直接測量，采用電氣測試方法(ETM)；或者間接地使用熱路徑的估計熱阻。然而，通過熱阻來估算Tj是有風險的——如果實際的Tj不正確，產(chǎn)品可能會出現(xiàn)故障、性能不佳，或者設計過度、成本過高。
ETM方法依賴于高占空比加熱電流和快速轉換到測量電流。使用ETM時，典型的原位LED結溫電流波形顯示了這種快速轉變。
進行原位Tj測量有許多原因。例如:
- 大量銷售的照明產(chǎn)品必須包括用于冷卻的散熱器。通過更精確的TJ測量，可以降低熱阻不確定性預算，從而使散熱器變得更小。這降低了產(chǎn)品成本和運輸成本。
- 許多產(chǎn)品故障都可以追溯到過高的結溫或結溫的大幅波動。對于大批量產(chǎn)品，與Tj設計錯誤相關的保修損失可能超過幾十萬美元。
- 對于在多年生產(chǎn)的設計中使用的產(chǎn)品，在將替換設備與原始LED或激光器進行比較時，了解精確的Tj是很有幫助的。
- 對于led和激光器制造商來說，盡可能提供最精確的測量數(shù)據(jù)非常重要。該數(shù)據(jù)應包括測量時的精確Tj。
- 原位Tj測量是鑒定和調整設計以獲得理想性能的有用工具，因為它可以揭示產(chǎn)品微小變化的影響。例如，可以在幾分鐘內定量測量各種熱界面材料對COB封裝熱流的影響。
- 應將原位Tj與制造商允許的最高結溫進行比較，以確保其低于允許的最高Tj。通常，設計師希望看到Tj比這個溫度低20-40%。這對于脈沖過驅動操作尤為重要。
為現(xiàn)場TJ測量提供的Vektrex組件:
Vektrex
Vektrex SMU偏置選項(集成低電流測量源)
Vektrex TJ測量軟件(增強型控制面板)上傳數(shù)據(jù)并執(zhí)行y軸截距計算
Vektrex TJ測量說明指南
計算k系數(shù)和Tj的Vektrex Tj實用工作簿(MSExcel)
光度測量期間的Tj變化
在光度測量過程中，LED或激光器會發(fā)熱，因此結溫會升高。增加的Tj改變了測量，降低了精確度。在高功率情況下，測量可能是無用的。光度測量標準，如照明工程學會的LM-85，要求通過改變測試溫度或對測量值進行校正來評估和計算Tj頻移。LM-85在其附錄中提供了兩種不同的方法來評估測量過程中的Tj。一種僅使用初級電流源，另一種同時使用初級和次級偏置源。
光度測量期間評估Tj變化的工具:
Vektrex
Vektrex SMU偏置選項(集成低電流測量源)
Vektrex TJ測量軟件(增強型控制面板)上傳數(shù)據(jù)并執(zhí)行y軸截距計算
Vektrex TJ測量說明指南
計算k系數(shù)和Tj的Vektrex Tj實用工作簿(MSExcel)
脈沖操作Tj上升評估
用脈沖驅動操作的LED或激光器將經(jīng)歷平均加熱和瞬時加熱。設計燈具時，了解脈沖操作期間的平均Tj和峰值Tj是很有用的。在考慮光功率輸出和波長等特性時，可以將平均Tj與數(shù)據(jù)手冊中的Tj值進行比較。應測量峰值Tj，以確保設備遠低于最大允許Tj。如前一節(jié)所述，IES LM-85文件在其附件中包括了評估Tj的程序。
該圖顯示了紅色LED在1ms、120Hz脈沖下的LED Tj。顯示了脈沖前、脈沖后和平均溫度，以及從平均Tj圖得到的多項式模型。
評估脈沖操作期間Tj上升所需的工具:
Vektrex
Vektrex SMU偏置選項(集成低電流測量源)
Vektrex TJ測量軟件(增強型控制面板)上傳數(shù)據(jù)并執(zhí)行y軸截距計算
Vektrex TJ測量說明指南
計算k系數(shù)和Tj的Vektrex Tj實用工作簿(MSExcel)
熱阻測量
熱阻是一個參數(shù)，用于量化熱量流經(jīng)路徑時遇到的阻力。它總是表示為從一點到另一點的電阻(例如，從結點到環(huán)境空氣)。典型的單位是C/w。LED和激光器制造商通常為器件本身提供熱阻，即從結到外殼的電阻。但是，這不包括印刷電路板和散熱片等其他結構的電阻。在許多設計情況下，例如燈具設計，了解這些結構的熱阻非常有用。
JEDEC JESD51-14瞬態(tài)雙接口方法是測量熱阻的最佳方法。這種方法需要一個兩級電流源和一個能夠長時間采樣的電壓數(shù)字化儀。在轉換之后，對LED或激光器的電壓進行采樣，并對由此產(chǎn)生的冷卻曲線進行分析，以計算熱阻。JEDEC提供了一個免費的軟件工具來做到這一點；SpikeSafe控制面板應用程序捕獲數(shù)據(jù)，并以與JEDEC工具兼容的文件格式輸出。
測量熱阻的工具:
Vektrex
Vektrex SMU偏置選項(集成低電流測量源)
Vektrex熱阻軟件(增強型控制面板)輸出對數(shù)間隔的樣本數(shù)據(jù)。
JEDEC軟件生成結構函數(shù)并計算熱阻。
熱路徑分析
熱路徑分析類似于熱阻測量，但測量的重點通常是特定的結構，如芯片附件或熱界面材料，而不是代表整個熱路徑的整體參數(shù)。為了識別熱路徑中的不同材料，冷卻曲線被轉換成稱為結構函數(shù)的網(wǎng)絡模型。然后可以比較兩種不同條件下的結構函數(shù)，并推斷出感興趣材料的熱特性。普及結構功能分析的專用工具叫做T3Ster，由MICRED生產(chǎn)。
T3Ster用于將冷卻曲線轉換為結構函數(shù)的計算由MICRED和JEDEC于2010年以免費分析工具TDIM大師的形式公布于眾。然而，大多數(shù)實驗室發(fā)現(xiàn)，使用當時可用的通用儀器很難獲得足夠分辨率的冷卻曲線，因為電壓讀數(shù)有噪聲。此外，在冷卻時間內改變采樣間隔的需要需要定制軟件來實現(xiàn)對數(shù)采樣。通常需要重復采集，這意味著一次測量可能需要一個多小時。合并捕獲的數(shù)據(jù)也很困難。
通過在其真差分數(shù)字化儀中添加對數(shù)采樣，無需定制編程，SpikeSafe SMU便可在數(shù)秒內收集精確的冷卻曲線。SMU的數(shù)字化儀提供亞毫伏級的細節(jié)，它在一次捕捉中收集曲線，在運行中自動改變其boxcar平均值。從500mA到60A的每個SMU型號都有對數(shù)采樣功能。SpikeSafe控制面板應用程序上傳捕獲的日志數(shù)據(jù)，并以與JEDEC工具兼容的文件格式輸出。使用JEDEC工具，在導入控制面板數(shù)據(jù)后，只需點擊幾下鼠標即可獲得結構函數(shù)。
熱路徑分析所需的工具:
Vektrex
Vektrex SMU偏置選項(集成低電流測量源)
Vektrex熱阻軟件(增強型控制面板)輸出對數(shù)間隔的樣本數(shù)據(jù)。
JEDEC軟件生成結構函數(shù)并計算熱阻。
用于結溫測量的產(chǎn)品
JD-2020–JD-2020 LED熱阻分析儀是一種高速儀器，旨在進行瞬態(tài)/在線熱阻(rθ)測量。
MICRED T3STER–MicReD T3Ster專門從事IC封裝、led和系統(tǒng)的高度詳細、快速、精確的熱測試、測量和表征。
