功率型LED热阻测试仪的设计.docx

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功率型LED热阻测试仪的设计

功率型LED热阻测试仪的设计

摘要

热阻测试仪已成为功率型LED不可或缺的检测设备之一，随着功率型LED在照明领域的应用和普及，对热阻测试仪的需求也不断增加，研制开发准确、高效、低成本的热阻测试仪势在必行。

LED的结温变化影响其光通量、颜色、主波长以及正向电压等光度、色度和电气参数。

因此，开展功率型LED热阻测试影响因素研究，对热阻进行准确快速的测试就显得十分必要，可对功率LED进行有效的热管理。

基于电学参数法原理，设计热阻测试仪方案，实现了热阻测试仪的整体功能和各个子功能的硬件搭建和控制软件编程，最终研制成功热阻测试仪。

最后对所做研究成果进行了总结并对今后测试仪的改进和完善提出了自己一些看法和意见。

关键词：

功率型LED，热阻，电学参数法，热阻测试仪

DesignofPower-typeLEDThermalResistanceTester

ABSTRACT

Thermalresistancetestingsystemhasbeenoneoftheequipmentsthatpower-typeLED（PTLED）indispensable.WiththedevelopmentandpopularizationofPTLEDinsolidstatelightingapplication,thedemandforthermalresistancetesterisincreasing.ThechangeofLEDjunctiontemperatureaffectstheluminousflux,color,forwardvoltage,dominantwavelength,brightness,etc.Therefore,quickandaccuratemeasurementofPTLEDthermalresistanceandotherthermalpropertieshasbecomingnecessaryforLEDpackagingandheatsinkdesign.

Basedontheelectricaltestmethod,Idesigntheprojectofthermalresistancetester,whichcanachievethewholefunctionandthesub-functionofasinglethermalresistancetester.Thenbuildthehardwareandthecontrolprogramsoftware,makeoutamonolithicthermalresistancetester.FinallyIconcludedtheachievementsIhavedoneandexpressedmyopinionandvisionontheimprovementandmodificationofresistancetesterinthefuture.

KEYWORDS:

power-typeLED,thermalresistance,electricaltestmethod,thermalresistancetester

1绪论

1962年由GaAsP材料制作而成红色发光二极管（1ightemittingdiode,LED）问世。

在其后40多年中，LED经历了GaAsP、GaAlAs和InGaAlP等多种材料的形式，虽然发光效率提高了近1000倍，但发光颜色长期局限于红色和黄绿色，主要应用在数码指示和半彩色显示领域。

1993年，日亚公司的Nakamora首次成功地研制出氮化物LED，实现了蓝色半导体发光，进而于1996年实现了白光LED。

白光LED具有寿命长、省电、反应速度快、环保无水银、体积小可平面封装等优点。

目前功率LED是半导体照明的关键器件，代表着照明技术的新趋势，对功率LED研究应用引起越来越广泛的关注。

1.1课题研究背景与意义

LED被认为是21世纪最具前途的照明光源，大功率LED是半导体照明中的关键器件[1]。

但是在大功率LED的输入功率中，只有20％左右的能量转化为光能，其它的则转化为热能通过LED的热沉传导到外部环境。

大功率LED散热性能的优良直接关系到LED的结温，进而影响LED的出光效率，发射波长，器件使用寿命，可靠性等。

结温、热阻值是衡量大功率LED散热性能的关键参数。

因此，准确高效的测量大功率LED的热阻值对LED封装企业设计大功率LED器件的封装结构和LED应用企业选用大功率LED器件提供有力的支持。

1.2LED光源的发展和趋势

LED的发展历程也经历着上个世纪七十年代最早的红、黄、绿色地发光效率的初级阶段并开始应用于指示灯、数字和文字显示。

由此LED开始进入多种应用领域，包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等，遍及国民经济各个部门和千家万户。

到一九九六年LED在全世界范围广泛应用。

尽管LED的颜色和发光效率受限制，但它的长寿命、高可靠、工作电流小等优点一直受到使用者的青睐。

特别是在过去的十多年的时间里高亮度化、全色化一直是LED技术研究的前沿课题。

1.2.1LED光源的发展状况

目前LED光源较其他光源有许多明显的优势：

（1）发光效率高。

LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提高。

白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦，荧光灯50-70流明/瓦，钠灯90-140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。

LED光效经过改良后将达到50-200流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。

目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。

（2）耗电量少。

LED单管功率0.03-0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5-3.5伏，电流15-18毫安，反应速度快，可在高频操作。

同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。

（3）使用寿命长。

采用电子光场辐射发光，无灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。

LED等体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和振动，不易破碎。

平均寿命达10万小时。

LED灯具使用寿命可达5-10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯。

（4）安全可靠性强。

发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全触摸。

能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。

内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。

（5）有利于环保。

LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。

光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。

当然，节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因，也许LED光源要比传统光源昂贵,但是用一年时间的节能收回光源的投资,从而获得4-9年中每年几倍的节能净收益期。

1.2.2LED光源的发展趋势

LED的发展已为世人瞩目，特别是业内人士更加关心。

有的是想寻找商机，有的想跟上研究脚步，有的想看看与现有正在搞的产业中的产品有没有落伍如此种种迹象表明了几乎我们每个同行人都在关注LED发展的每一步。

我们可以看到2007年以后LED的发光效率将超过荧光灯，到2020年发光效率将是荧光灯的两倍以上：

在2007年LED的寿命超过20kh，2012年将超过100kh：

单颗LED的光通量在2020年将达到15001m；2020年单颗LED的输入功率将达到7.5W；流明价格和灯的价格将逐年下降；由于价格因素的制约当前照明市场上以荧光灯为主，到2020年照明市场将进入百灯争鸣的时代，我们期待那个时代的来临。

1.3概述

本次毕业设计主要针对功率型LED的热阻参数进行测量，确定了以电学参数法为测试方法，主要运用了proteus、protel对电路进行仿真，用A/D转换器进行对采集到的模拟信号的转换，最终送入单片机进行数据处理并进行显示。

测试仪主要分为两个恒流信号源、多级放大电路、A/D转换、单片机和数码管显示几部分，对被测的LED的热阻值进行尽可能精确的测试。

并对测得数值进行误差分析和改进办法。

2功率型LED热参数与其测试技术

半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。

事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。

从目前发展来看，今后LED产业的发展前景是无法估量的，所以了解并学习半导体发光的相关知识是十分必要的。

2.1LED发光原理

LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。

因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2-1所示[2]。

图2-1PN结发光原理

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。

发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

2.2功率型LED的结温和热阻

当今的大功率LED，特别是应用在家庭照明或马路灯光照明，由于其芯片面积和功耗不断增大，芯片产生的热量很高，LED多以透明环氧树脂封装，若结温超过固相转变温度，封装材料会向橡胶状转变且热膨胀系数骤升，从而导致器件失效，因此芯片封装的热设计越来越成为设计考虑的首要问题之一。

保持LED结温在允许的范围内，是大功率LED芯片制备、器件封装和器件应用等每个环节都必须重点研究的关键因素，尤其是LED器件封装和器件应用设计必须着重解决的核心问题。

2.2.1功率型LED的结温

大功率LED器件的结温是指器件内部PN结的温度。

对于一个封装好的LED器件工作时内部的结温是不能直接测得的，只能采用间接的方法得到结温。

（1）PN结结温对LED器件出光量的影响

LED器件的结温越高光量越低，出光效率越低，如图2-2所示[3]。

当结温升高时，蓝、绿和白光LED器件的出光量基本呈线性下降，即随着结温的升高，光通量越来越低。

图2-2LED出光量与结温关系曲线

（2）LED结温对器件峰值波长的影响

图2-3（a）是四元系（A1InGaP）红光LED峰值波长与PN结结温的关系，当PN结结温升高时，红光LED的峰值波长线性增大。

图2-3（b）是GaN基蓝光LED峰值波长与PN结结温的关系曲线。

当PN结结温小于一定温度时，随PN结结温的升高峰值波长变短；当PN结结温高于一定温度时，随PN结结温的升高峰值波长又变长。

对于目前商品化生产的白光LED（蓝光芯片+荧光粉）来说，如果蓝光波长发生改变，器件输出白光的色度和色温也将发生改变。

因此，在商业应用中要使LED发出一个稳定和特定的波长值，必需保证器件长时问工作结温不变化。

图2-3峰值波长与LED结温关系

（3）LED结温对器件寿命的影响

图2-4是美国照明研究中心（LightingResearchCenter）通过测试、概率统计得出的LED寿命与结温关系图[3]。

图中的横坐标是器件结温，纵坐标是器件半衰期，单位是小时。

从图中可知LED器件的寿命随着结温的升高而骤减，呈对数关系。

因此，LED器件的PN结结温对LED器件的光通量、波长、色度、器件寿命都存在直接影响[11]。

图2-4LED结温与器件寿命关系

2.2.2功率型LED的热阻和测量方法

热阻是沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比[14],对于LED来说，热阻一般指从PN结到参考点的热阻，其中从PN结到器件内部热沉的热阻和PN结到环境的热阻是我们测试研究的重点。

热阻单位是ºC/W或K/W。

其计算公式为：

（2-1）

目前对半导体器件工作温度和热阻的测量方法有电学参数法、红外热像仪法、光谱法、光热阻扫描法及光功率法等。

下面对各种方法原理进行简单介绍[4]：

（1）电学参数法

LED结温的测量，目前普遍采用的是电学参数法。

在输入小电流恒定的情况下，LED的正向电压与其结温之间具有线性关系。

利用这个关系，可以将LED的正向电压变化量转换为温度变化量。

温度变化量除上器件处在加热时的耗散功率即可得到LED热阻。

（2）红外热像仪法

红外热像仪法是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统）接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。

该方法只能测表面温度，无法测得封装好的芯片温度。

（3）光谱法

光谱法的原理是LED在工作状态下，辐射出不同频率的光，光谱线的辐射强度I与PN结辐射的频率γ（或波长λ）同PN结温度T之间存在关系。

不同的PN结温度T对应着不同的辐射主频率γ和辐射强度I。

对于某一种确定材料的LED，当LED工作时，测得某一主频率γ和对应的主辐射强度I，从而确定结温TJ。

再根据公式，求出热阻。

采用这种方法，设备结构复杂，成本高，准确性有待提高[12]。

（4）光热阻扫描法

光热阻扫描法与红外热像仪法的区别是采集过来的是可见光。

光热阻扫描法是将LED产生的光通过光机扫描系统，光线被光敏元接收，转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示。

（5）光功率法

光功率法就是通过光纤测量LED在工作时所发出的光功率。

将LED工作时的总功率减去光纤所测得的光功率，得到的就是LED的热损耗。

结合LED的各个参数并应用公式算出LED的结温和热阻[15]。

2.3测试原理的选择

基于电学参数法相对于其它几种技术而言，在测试理论及方法上比较成熟，对测试设备要求不是很高，设计和完成实物的操作可行性较好，同时大功率LED采用热电分离的封装方式，为大功率LED器件的热特性分析提供方便等等种种优势，我拟选用此方法设计热阻测试仪[16]。

2.3.1电学参数法的测试原理

电学参数法的测试原理是对被测器件施加一定宽度的加热功率脉冲（恒流IH

），使被测LED结发热,比较功率脉冲施加前后结温的变化量。

假定测试前管芯温度与参考点温度相同,此时热阻：

（2-2）

由于在恒流偏置下，PN结温度TJ与其正向电压VF基本呈线性相关,它们的比值K为器件的热敏温度系数（mV/℃）,此温度系数基本为定值。

因此热阻公式可改写为：

（2-3）

电学法热阻测试原理示意图[5]，如图2-5所示。

图2-4电特性法热阻测试原理示意图

其中DUT为被测LED器件，IH和IM为两个大小不一的电流源，VF为电压测试系统。

其测试过程如下，首先将转换开关置于“1”,给被测管DUT注入恒流IM，测得其正向电压VF0,开关切换至“2”,给被测管DUT注入恒流IH,使其结温升高,一定时间后,开关再次切换至“1”,在IM偏置下测得DUT正向电压VF2。

由于LED的输入电功率转换成光和热两种形式,其中热功率部分引起结温升高。

因而热阻公式中加热功率为：

（2-4）

式中:

UH为施加加热电流IH时LED上的正向偏压。

将（2-4）带入（2-3）得最终热阻公式：

（2-5）

式中:

ΔVF为加功率前后IM偏置下的正向电压变化量;K为器件的热敏温度系数,单位mV/℃;IH为加热电流;UH为加热电流IH下的正向电压,即功率电压[17]。

图2-5测量信号时序图

2.3.2设计中各个参数的选取

（1）测试电流IM的选取

测试电流IM的选择非常关键[18]。

通过二极管的测试电流IM必须足够大以得到稳定的正向压降电压值，同时必须足够小不至于产生显著的热量。

通常IM取在100uA～5mA之间且与二极管的尺寸大小有关。

更低的电流IM也能被使用，但是为了更容易得到测量值和减少可能的表面漏电压影响，电流很少选用低于100uA，通常采用1mA。

对于IM值的上限取决于器件自发热影响，器件的几何尺寸往往是关键，在10mA基准电流下测得的数据：

是最接近线性。

这种情况在肖特基二极管、LED中是非常普遍的。

如果基准电流足够小也能在大多数半导体器件中发现。

通常，进行校准时结点越大测试电流也应越高。

对于大功率LED器件，基准电流而通常取在1～50mA。

（2）温度灵敏系数K的设定

温度灵敏系数K很大程度上取决于LED器件的材料和封装工艺，因此在设计热阻测试仪的软件变成部分时，应先对待测的LED器件进行材料识别，查阅相关材料的功率LED的温度灵敏系数K，之后编入单片机程序里面进行热阻的计算。

（3）加热电流IH的选取

加热电流IH的作用就是为待测LED加热到一定温度[6]，所以选取范围应该在100mA～350mA之间，太小待测LED器件温度不够从而热阻值测试不准确，太大易烧坏LED器件。

2.4本文研究的主要内容

随着大功率LED的发展越来越快[13]，应用越来越广泛，作为大功率LED瓶颈的结温和热阻越来越受到重视和研究。

本文的研究对象是大功率LED的热阻，围绕着大功率LED的结温和热阻的特性、测试方法进行论述，目的是针对LED材料改进和封装应用需求，研究测试速度快、精确度高、重复性好、性价比高的热阻测试仪器，并在热阻测试方法及测试技术规范方面形成体系。

本文的研究内容和所做的工作主要有以下几个方面：

（1）基于电学参数法测量功率LED结温和热阻的基本原理和方法，研制开发功率LED热阻测试仪，满足工业界对LED热阻仪低成本、测试时间短、操作简单、重复性好的要求；

（2）对所研制的热阻测试仪进行重复性测试，以及与商用仪器的对比验证证明测试数据可靠性；

（3）对测量出的数据进行分析，对热阻测试仪的性能进行评价，提出减少仪器测量误差的方法。

3功率型LED热阻测试仪的开发

目前国内外对LED热阻的测试技术已经开始重视，对LED的热参数已开展了系统的研究。

其中匈牙利MicRed公司T3ster,TeraLED热阻测试系统用于测试IC、LED、散热器、热管等电子器件的热特性。

T3Ster运用先进的JEDEC静态试验方法（JESD51-1），通过改变电子器件的输入功率，使得器件产生温度变化，在变化过程中，T3Ster测试出芯片的瞬态温度响应曲线，仅在几分钟之内即可分析得到关于该电子器件的全面的热特性。

这种大型的热测试仪测试的数值相当准确，但是造价却十分昂贵，本文着重介绍了一个操作、结构相对简单，且造价便宜的热阻测试仪。

3.1设计中硬件的选择和功能介绍

3.1.1单片机STC89C52

STC89C52是美国STC公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取存储器（RAM），器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8为中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。

STC89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合[7]。

如图3-1所示。

图3-1STC89C52引脚图

（1）功能特性概述：

k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，STC89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，但允许RAM、定时器/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。

掉电保护方式下；RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

（2）外部特性（引脚功能）

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

　　P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在Flash编程时，P0口作为原码输入口，当Flash进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

　　P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

　　P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在Flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

　　P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

　　RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

　　ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

　　/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在Flash编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

　　XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

　　XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.1.2ADC0809转换器

由于本设计需要同时采集3组共6个信号，每次采集需同时输入1组信号，所以需要一个多通道的A/D转换器，故选择ADC0809为本设计的A/D转换器。

ADC0809[8]是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

如图3-2所示。

图3-2ADC0809内部结构和引脚图

（1）主要特性

（a）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。

（b）具有转换起