熱測(cè)量用于各種應(yīng)用，包括led、激光二極管和VCSELs。測(cè)量采用電氣測(cè)試方法(ETM)，分為兩大類:測(cè)量器件的結(jié)溫，以及確定熱阻，包括測(cè)量從結(jié)溫到外部點(diǎn)的熱路徑。固態(tài)設(shè)備科學(xué)家使用這些熱測(cè)量來了解和改進(jìn)設(shè)備，測(cè)試工程師在進(jìn)行光學(xué)測(cè)量時(shí)使用這些熱測(cè)量，燈具/固定裝置設(shè)計(jì)師使用這些熱測(cè)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(cè)量，從簡(jiǎn)單的Tj評(píng)估到使用結(jié)構(gòu)函數(shù)的復(fù)雜熱分析。SMU在熱測(cè)量過程中使用其初級(jí)和偏置電流源為L(zhǎng)ED或激光器供電，其數(shù)字化儀記錄正向電壓(VF)計(jì)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(cè)量。
支持的LED和激光熱測(cè)量包括:
單個(gè)led或燈具的原位Tj
光度測(cè)量期間的Tj變化
脈沖操作期間的Tj上升
熱阻
使用結(jié)構(gòu)函數(shù)的熱路徑分析
下面將更詳細(xì)地解釋每種測(cè)量方法。描述了Vektrex為特定應(yīng)用提供的組件。
定制軟件(參見Python示例)也可用于使用SpikeSafe SMU進(jìn)行自動(dòng)熱測(cè)量。
單個(gè)led或燈具的原位Tj測(cè)量
結(jié)溫(Tj)是LED或激光二極管半導(dǎo)體結(jié)的工作溫度。工作時(shí)，半導(dǎo)體的Tj高于周圍環(huán)境，半導(dǎo)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(duì)此進(jìn)行了說明。
Tj對(duì)激光器或LED的長(zhǎng)期可靠性有直接影響。較高的原位Tj導(dǎo)致長(zhǎng)期可靠性降低。溫度超過150℃時(shí)，設(shè)備可能會(huì)立即失效。Tj還會(huì)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(huì)隨著結(jié)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(jì)算其他溫度下性能的降額系數(shù)。使用這些值，以及實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師驗(yàn)證產(chǎn)品將在其宣傳的規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行。
原位結(jié)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(shè)備的任何其他環(huán)境。
原位Tj可以用兩種方法測(cè)量:直接測(cè)量，采用電氣測(cè)試方法(ETM)；或者間接地使用熱路徑的估計(jì)熱阻。然而，通過熱阻來估算Tj是有風(fēng)險(xiǎn)的——如果實(shí)際的Tj不正確，產(chǎn)品可能會(huì)出現(xiàn)故障、性能不佳，或者設(shè)計(jì)過度、成本過高。
ETM方法依賴于高占空比加熱電流和快速轉(zhuǎn)換到測(cè)量電流。使用ETM時(shí)，典型的原位LED結(jié)溫電流波形顯示了這種快速轉(zhuǎn)變。
進(jìn)行原位Tj測(cè)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(cè)量，可以降低熱阻不確定性預(yù)算，從而使散熱器變得更小。這降低了產(chǎn)品成本和運(yùn)輸成本。
- 許多產(chǎn)品故障都可以追溯到過高的結(jié)溫或結(jié)溫的大幅波動(dòng)。對(duì)于大批量產(chǎn)品，與Tj設(shè)計(jì)錯(cuò)誤相關(guān)的保修損失可能超過幾十萬美元。
- 對(duì)于在多年生產(chǎn)的設(shè)計(jì)中使用的產(chǎn)品，在將替換設(shè)備與原始LED或激光器進(jìn)行比較時(shí)，了解精確的Tj是很有幫助的。
- 對(duì)于led和激光器制造商來說，盡可能提供最精確的測(cè)量數(shù)據(jù)非常重要。該數(shù)據(jù)應(yīng)包括測(cè)量時(shí)的精確Tj。
- 原位Tj測(cè)量是鑒定和調(diào)整設(shè)計(jì)以獲得理想性能的有用工具，因?yàn)樗梢越沂井a(chǎn)品微小變化的影響。例如，可以在幾分鐘內(nèi)定量測(cè)量各種熱界面材料對(duì)COB封裝熱流的影響。
- 應(yīng)將原位Tj與制造商允許的最高結(jié)溫進(jìn)行比較，以確保其低于允許的最高Tj。通常，設(shè)計(jì)師希望看到Tj比這個(gè)溫度低20-40%。這對(duì)于脈沖過驅(qū)動(dòng)操作尤為重要。
為現(xiàn)場(chǎng)TJ測(cè)量提供的Vektrex組件:
Vektrex
Vektrex SMU偏置選項(xiàng)(集成低電流測(cè)量源)
Vektrex TJ測(cè)量軟件(增強(qiáng)型控制面板)上傳數(shù)據(jù)并執(zhí)行y軸截距計(jì)算
Vektrex TJ測(cè)量說明指南
計(jì)算k系數(shù)和Tj的Vektrex Tj實(shí)用工作簿(MSExcel)
光度測(cè)量期間的Tj變化
在光度測(cè)量過程中，LED或激光器會(huì)發(fā)熱，因此結(jié)溫會(huì)升高。增加的Tj改變了測(cè)量，降低了精確度。在高功率情況下，測(cè)量可能是無用的。光度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，如照明工程學(xué)會(huì)的LM-85，要求通過改變測(cè)試溫度或?qū)y(cè)量值進(jìn)行校正來評(píng)估和計(jì)算Tj頻移。LM-85在其附錄中提供了兩種不同的方法來評(píng)估測(cè)量過程中的Tj。一種僅使用初級(jí)電流源，另一種同時(shí)使用初級(jí)和次級(jí)偏置源。
光度測(cè)量期間評(píng)估Tj變化的工具:
Vektrex
Vektrex SMU偏置選項(xiàng)(集成低電流測(cè)量源)
Vektrex TJ測(cè)量軟件(增強(qiáng)型控制面板)上傳數(shù)據(jù)并執(zhí)行y軸截距計(jì)算
Vektrex TJ測(cè)量說明指南
計(jì)算k系數(shù)和Tj的Vektrex Tj實(shí)用工作簿(MSExcel)
脈沖操作Tj上升評(píng)估
用脈沖驅(qū)動(dòng)操作的LED或激光器將經(jīng)歷平均加熱和瞬時(shí)加熱。設(shè)計(jì)燈具時(shí)，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(zhǎng)等特性時(shí)，可以將平均Tj與數(shù)據(jù)手冊(cè)中的Tj值進(jìn)行比較。應(yīng)測(cè)量峰值Tj，以確保設(shè)備遠(yuǎn)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(píng)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(xiàng)式模型。
評(píng)估脈沖操作期間Tj上升所需的工具:
Vektrex
Vektrex SMU偏置選項(xiàng)(集成低電流測(cè)量源)
Vektrex TJ測(cè)量軟件(增強(qiáng)型控制面板)上傳數(shù)據(jù)并執(zhí)行y軸截距計(jì)算
Vektrex TJ測(cè)量說明指南
計(jì)算k系數(shù)和Tj的Vektrex Tj實(shí)用工作簿(MSExcel)
熱阻測(cè)量
熱阻是一個(gè)參數(shù)，用于量化熱量流經(jīng)路徑時(shí)遇到的阻力。它總是表示為從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的電阻(例如，從結(jié)點(diǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)的電阻。在許多設(shè)計(jì)情況下，例如燈具設(shè)計(jì)，了解這些結(jié)構(gòu)的熱阻非常有用。
JEDEC JESD51-14瞬態(tài)雙接口方法是測(cè)量熱阻的最佳方法。這種方法需要一個(gè)兩級(jí)電流源和一個(gè)能夠長(zhǎng)時(shí)間采樣的電壓數(shù)字化儀。在轉(zhuǎn)換之后，對(duì)LED或激光器的電壓進(jìn)行采樣，并對(duì)由此產(chǎn)生的冷卻曲線進(jìn)行分析，以計(jì)算熱阻。JEDEC提供了一個(gè)免費(fèi)的軟件工具來做到這一點(diǎn)；SpikeSafe控制面板應(yīng)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(cè)量熱阻的工具:
Vektrex
Vektrex SMU偏置選項(xiàng)(集成低電流測(cè)量源)
Vektrex熱阻軟件(增強(qiáng)型控制面板)輸出對(duì)數(shù)間隔的樣本數(shù)據(jù)。
JEDEC軟件生成結(jié)構(gòu)函數(shù)并計(jì)算熱阻。
熱路徑分析
熱路徑分析類似于熱阻測(cè)量，但測(cè)量的重點(diǎn)通常是特定的結(jié)構(gòu)，如芯片附件或熱界面材料，而不是代表整個(gè)熱路徑的整體參數(shù)。為了識(shí)別熱路徑中的不同材料，冷卻曲線被轉(zhuǎn)換成稱為結(jié)構(gòu)函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)模型。然后可以比較兩種不同條件下的結(jié)構(gòu)函數(shù)，并推斷出感興趣材料的熱特性。普及結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)函數(shù)的計(jì)算由MICRED和JEDEC于2010年以免費(fèi)分析工具TDIM大師的形式公布于眾。然而，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，使用當(dāng)時(shí)可用的通用儀器很難獲得足夠分辨率的冷卻曲線，因?yàn)殡妷鹤x數(shù)有噪聲。此外，在冷卻時(shí)間內(nèi)改變采樣間隔的需要需要定制軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)采樣。通常需要重復(fù)采集，這意味著一次測(cè)量可能需要一個(gè)多小時(shí)。合并捕獲的數(shù)據(jù)也很困難。
通過在其真差分?jǐn)?shù)字化儀中添加對(duì)數(shù)采樣，無需定制編程，SpikeSafe SMU便可在數(shù)秒內(nèi)收集精確的冷卻曲線。SMU的數(shù)字化儀提供亞毫伏級(jí)的細(xì)節(jié)，它在一次捕捉中收集曲線，在運(yùn)行中自動(dòng)改變其boxcar平均值。從500mA到60A的每個(gè)SMU型號(hào)都有對(duì)數(shù)采樣功能。SpikeSafe控制面板應(yīng)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(dǎo)入控制面板數(shù)據(jù)后，只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)即可獲得結(jié)構(gòu)函數(shù)。
熱路徑分析所需的工具:
Vektrex
Vektrex SMU偏置選項(xiàng)(集成低電流測(cè)量源)
Vektrex熱阻軟件(增強(qiáng)型控制面板)輸出對(duì)數(shù)間隔的樣本數(shù)據(jù)。
JEDEC軟件生成結(jié)構(gòu)函數(shù)并計(jì)算熱阻。
用于結(jié)溫測(cè)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(jìn)行瞬態(tài)/在線熱阻(rθ)測(cè)量。
MICRED T3STER–MicReD T3Ster專門從事IC封裝、led和系統(tǒng)的高度詳細(xì)、快速、精確的熱測(cè)試、測(cè)量和表征。
