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，其數字化儀記錄正向電壓(VF)計算溫度所需的讀數。該電壓數據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高于周圍環境，半導體中散發的熱量流經包括各種封裝組件(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下的性能規格，以及允許計算其他溫度下性能的降額系數。使用這些值，以及實際的現場測量，產品設計師驗證產品將在其宣傳的規格范圍內運行。
原位結溫是器件(例如LED)在其工作環境中的Tj。例如，操作環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，產品可能會出現故障、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。這降低了產品成本和運輸成本。
- 許多產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。
- 對于在多年生產的設計中使用的產品，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據非常重要。該數據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)上傳數據并執行y軸截距計算
Vektrex TJ測量說明指南
計算k系數和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)上傳數據并執行y軸截距計算
Vektrex TJ測量說明指南
計算k系數和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與數據手冊中的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圖導出的多項式模型。
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)上傳數據并執行y軸截距計算
Vektrex TJ測量說明指南
計算k系數和Tj的Vektrex Tj實用工作簿(MSExcel)
熱阻測量
熱阻是一個參數，用于量化熱量流經路徑時遇到的阻力。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據，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)輸出對數間隔的樣本數據。
JEDEC軟件生成結構函數并計算熱阻。
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。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的網絡模型。然后可以比較兩種不同條件下的結構函數，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。
T3Ster用于將冷卻曲線轉換為結構函數的計算由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，大多數實驗室發現，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對數采樣。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。合并捕獲的數據也很困難。
通過在其真差分數字化儀中添加對數采樣，無需定制編程，SpikeSafe SMU便可在數秒內收集精確的冷卻曲線。SMU的數字化儀提供亞毫伏級的細節，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型號都有對數采樣功能。SpikeSafe控制面板應用程序上傳捕獲的日志數據，并以與JEDEC工具兼容的文件格式輸出。使用JEDEC工具，在導入控制面板數據后，只需點擊幾下鼠標即可獲得結構函數。
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)輸出對數間隔的樣本數據。
JEDEC軟件生成結構函數并計算熱阻。
用于結溫測量的產品
JD-2020–JD-2020 LED熱阻分析儀是一種高速儀器，旨在進行瞬態/在線熱阻(rθ)測量。
MICRED T3STER–MicReD T3Ster專門從事IC封裝、led和系統的高度詳細、快速、精確的熱測試、測量和表征。
