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　　眾所周知，LED的有效光輻射(發(fā)光度和/或輻射通量)嚴重受其結(jié)溫影響(參見圖1)。單顆LED封裝通常被稱為一級LED，而多顆LED芯片裝配在同一個金屬基板上的LED組件通常被稱為二級LED。當(dāng)二級LED對光均勻性要求很高時，結(jié)溫對LED發(fā)光效率會產(chǎn)生影響的這個問題將十分突出。當(dāng)然，可以利用一級LED的電、熱、光協(xié)同模型來預(yù)測二級LED的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性，但前提是需要對LED的散熱環(huán)境進行準確建模。

圖1（見02/03月刊） 一組從綠光到藍光以及白光的LED有效光輻射隨結(jié)溫的變化關(guān)系

　　在這篇文章中，我們將討論怎樣透過實測利用結(jié)構(gòu)函數(shù)來獲取LED封裝的熱模型，并將簡單描述一下我們用來進行測試的一種新型測試系統(tǒng)。此外，我們還將回顧電——熱仿真工具的原理，然后將此原理擴展應(yīng)用到板級的熱模擬以幫助最佳化封裝結(jié)構(gòu)的簡化熱模型。在文章的最后，我們將介紹一個應(yīng)用實例。

　　一、設(shè)立LED封裝的簡化熱模型

　　關(guān)于半導(dǎo)體封裝零組件的簡化熱模型(CTM) 的設(shè)立，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進行了超過10年的討論?，F(xiàn)在，對于設(shè)立封裝零組件特別是IC封裝的獨立于邊界條件的穩(wěn)態(tài)簡化熱模型，大家普遍認同DELPHI近似處理方法。為了研究零組件的瞬態(tài)散熱性能，我們需要對CTM進行擴展，擴展后的模型稱之為瞬態(tài)簡化熱模型(DCTM)。歐盟透過PROFIT計劃制訂了設(shè)立零組件DCTM的方法，并且同時擴展了熱仿真工具的功能以便能夠?qū)CTM模型進行仿真運算。

　　當(dāng)CTM應(yīng)用在特定的邊界條件下或者封裝零組件自身僅有一條結(jié)-環(huán)境的熱流路徑，則可以用NID(熱阻網(wǎng)絡(luò)自定義)方法來對組件進行建模。

圖2（見02/03月刊） 二級LED中的結(jié)-環(huán)境熱流路徑：LED封裝用膠固定于MCPCB上

　　1、直接利用測試結(jié)果設(shè)立LED封裝模型

　　仔細研究一個典型的LED封裝及其典型的應(yīng)用環(huán)境(圖2)，我們會發(fā)現(xiàn)，LED芯片產(chǎn)生的熱量基本上是透過一條單一的熱流路徑‘芯片-散熱區(qū)塊-MCPCB基板’流出LED封裝的。

　　對于穩(wěn)態(tài)建模來說，封裝的散熱特性可以透過R_thJC，即結(jié)-殼熱阻來準確描述，結(jié)-殼熱阻指的是從LED芯片到其自身封裝散熱區(qū)塊表面之間的熱阻。對于一級LED來說，此熱阻值可用熱瞬態(tài)測試儀器按照雙接觸面法進行測試來得到。

圖3（見02/03月刊） 積分結(jié)構(gòu)函數(shù)：安裝于MCPCB的1W紅光LED及其封裝的4階熱模型

圖4（見02/03月刊） 微分結(jié)構(gòu)函數(shù)：安裝于MCPCB的1W紅光LED

　　圖3和圖4所示的是R_thJC的另外一種測試方法。這種方法用兩步測試完成了對一個二級LED組件的測試工作，這兩步的測試條件分別為：

　　第一種條件──直接把MCPCB安裝到冷板上；

　　第二種條件──在MCPCB與冷板之間添加一層很薄的塑料薄層。

　　由于銅和膠的導(dǎo)熱系數(shù)不一樣，從結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線上即可方便的讀出R_thJC的值。同時，由于在第二種條件下加入的薄層材料會讓測試曲線產(chǎn)生分離，透過分離點即可很方便的分辨出結(jié)-板之間的熱阻值。

　　如果需要設(shè)立LED封裝的瞬態(tài)熱模型，則需要用一條合適的熱阻特性曲線來代替固定的R_thJC熱阻值來描述結(jié)-殼熱流路徑的散熱特性。從熱瞬態(tài)測試得出的結(jié)構(gòu)函數(shù)可幫助實現(xiàn)瞬態(tài)熱模型的設(shè)立。積分形式的結(jié)構(gòu)函數(shù)即是一個完整的熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)圖，這些熱阻熱容值準確的描述了結(jié)-環(huán)境熱流路徑的散熱特性。

　　對積分結(jié)構(gòu)函數(shù)進行階梯近似即可得到熱流路徑上不同實體結(jié)構(gòu)的折算熱阻和熱容值。這里提到的基于NID的模型產(chǎn)生方法，是在時間常數(shù)上進行的離散化。這種方法已經(jīng)被成功用于產(chǎn)生堆棧芯片的模型產(chǎn)生。這種封裝中通常會有多條熱流路徑，當(dāng)附加在封裝表面的邊界條件不同時，則不能把產(chǎn)生的階梯型RC模型認為是獨立于邊界條件的模型。

　　對于LED來說，封裝內(nèi)部僅有一條熱流路徑，則階梯型RC模型可以作為描述LED封裝熱性能的一種非常合適的模型。

　　從 LED在不同的實際散熱環(huán)境下測得的結(jié)構(gòu)函數(shù)圖形中可以看出，LED的熱模型是獨立于邊界條件的，改變測試環(huán)境(在我們的例子中是插入了塑料薄層材料)并不會影響描述封裝內(nèi)部詳細散熱性能的那部份結(jié)構(gòu)函數(shù)。有文獻指出，改變一級LED熱沈的表面接觸特性并不會對熱流路徑上位于其之前的部份產(chǎn)生影響。因此如圖3所示，在熱流進入MCPCB之前的一段熱流路徑的階梯狀模型，是適合于當(dāng)我們做類似于圖2所示的二級LED或者類似于圖8所示的LED組件的板級熱分析時，用來模擬單個LED封裝的散熱熱性的。

　　2、LED的熱-光協(xié)同測試

　　半導(dǎo)體組件的熱瞬態(tài)測試基于的是電學(xué)的測試方法。常規(guī)零組件的熱阻(或者瞬態(tài)時的熱阻特性曲線)可以用測得的零組件溫升和輸入的電能來運算得到。但是對于大功率LED來說，這個方法并不適合，這是因為輸入總電能的10~40%會轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У目梢姽廨敵?。也正是因為這樣，我們在利用直接測試的方法去設(shè)立 LED封裝的熱模型時都需要把有效的可見光輸出的能量去掉。為此，我們設(shè)計了一套如圖5所示的測試系統(tǒng)，用它可以實現(xiàn)LED封裝的熱-光協(xié)同測試。

圖5（見02/03月刊） 連接到T3Ster熱瞬態(tài)測試儀的一套光測量系統(tǒng)(LED安裝于一個熱電制冷片上)

　　被測組件固定于一個熱電制冷片上，而熱電制冷片安裝在一個滿足CIE[13]規(guī)格和推薦設(shè)置的積分球中。在進行光測量時，熱電制冷片可保證LED的溫度穩(wěn)定，而在進行熱測試時，它就是LED的散熱冷板。在熱和電的條件都不變的前提下對LED或LED組件進行光測試，我們可以得到在特定情況下的LED發(fā)光功率(如圖6所示)。

圖6（見02/03月刊） 不同偏壓電流下1W紅光LED的發(fā)光量隨殼溫(實線)以及結(jié)溫(虛線)的變化曲線

　　當(dāng)所有的光測量完成后，我們將被測LED關(guān)掉，并用MicReD公司的T3Ster儀器對其進行瞬態(tài)冷卻過程測量。在用T3Ster進行測量時，我們使用與測試二極管時相同的測試儀器設(shè)置。熱瞬態(tài)測試可以給出熱阻值，所以零組件的結(jié)溫可以透過熱電制冷片的溫度反推運算出來。

　　根據(jù)瞬態(tài)冷卻曲線，并同時考慮組件的有效光能輸出，我們可以運算出被測組件的熱阻特性曲線。而熱阻特性曲線又可以被轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，從結(jié)構(gòu)函數(shù)中即可用前面討論的方法得到LED封裝的CTM模型。

　　二、板級電-熱模擬

　　1、用同步循環(huán)法進行電-熱封閉仿真的原理

　　我們用同步循環(huán)法進行處在電路中的半導(dǎo)體組件的電-熱仿真。對于安裝于基板上的主動半導(dǎo)體組件來說(如大型芯片上的晶體管或者MCPCB上的LED)，其熱簡化模型的邊界條件獨立性十分重要，這就要求其基板與組件自身的接觸面以及基板與散熱環(huán)境之間的關(guān)系這兩個條件應(yīng)該盡量接近實際應(yīng)用情況。基于邊界條件的基板模型可根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境來確定。然后，包含組件和基板的熱阻網(wǎng)絡(luò)就可以和電路一起用同步循環(huán)法進行協(xié)同求解了。

　　我們用半導(dǎo)體組件的電-熱模型把電、熱兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)同起來：每個組件都用一個熱節(jié)點來代替(如圖7)。零組件的發(fā)熱量透過熱節(jié)點來驅(qū)動整個熱網(wǎng)絡(luò)模型。組件的電參數(shù)與其溫度有關(guān)，可根據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的運算結(jié)果推算出來。利用電壓與電阻之間的關(guān)系以及溫差與熱阻之間的關(guān)系，電和熱的網(wǎng)絡(luò)可進行聯(lián)立循環(huán)求解，并可以給出一組封閉解。

圖7（見02/03月刊）：安裝于一個用N-Port方法設(shè)立的基板簡化熱模型上的二極管的電-熱模型示意圖

　　2、基板的簡化熱模型

　　對于任何基于同步循環(huán)法進行電-熱協(xié)同模擬的模擬工具來說，最核心的問題都是怎樣產(chǎn)生并高效處理與與散熱邊界條件相關(guān)的基板的動態(tài)簡化熱模型。在處理這個問題時，可以把熱網(wǎng)絡(luò)模型看成是一個有N個端口的網(wǎng)絡(luò)，對于其中任何一個埠來說，它都對應(yīng)某個半導(dǎo)體零組件(如圖7)。這個N端口模型透過N個驅(qū)動點的阻力特征來描述特定半導(dǎo)體零組件到環(huán)境的熱阻特征，同時，用Nx(N-1)傳熱熱阻來描述同一塊基板上不同零組件之間的耦合熱阻。

　　NID 方法用的是時間或者頻域響應(yīng)來產(chǎn)生簡化熱模型。用一個快速的熱仿真工具對響應(yīng)曲線進行運算，即可得到用NxN表示的、涵蓋所有時間常數(shù)范圍的基板熱特性曲線。然后把時間常數(shù)轉(zhuǎn)換成RC，即可用RC的組合得到一個階梯狀熱阻網(wǎng)絡(luò)(階梯數(shù)目的多少可根據(jù)需要的精密度來確定)，這個熱阻網(wǎng)絡(luò)即可和電網(wǎng)絡(luò)一起用高效的運算方法進行模擬運算。

　　3、板級擴展

　　熱模擬運算器會對回路中每一個熱源進行熱時間常數(shù)的自動運算。對于芯片級的IC來說這種運算方法非常適用。

　　當(dāng)組件的電性能與溫度的相關(guān)性不大時我們可以使用‘僅進行熱仿真運算’模式。熱模擬運算器現(xiàn)在是可以直接使用半導(dǎo)體封裝的DCTM模型的。透過對DCTM及PWB的詳細模型一起進行仿真運算，我們就能得到組件以及基板的溫度。

　　在進行電-熱協(xié)同模擬時，通常不僅想了解溫度變化的情況，同時還想了解溫度對電波形的瞬態(tài)影響。我們近期對儀器的功能進行了擴展，擴展后的儀器適用于用來產(chǎn)生固定于任何基板上的半導(dǎo)體組件的用于電-熱仿真的DCTM模型。對于基板的N端口網(wǎng)絡(luò)模型來說，可以用和芯片的網(wǎng)絡(luò)模型相同的方法來運算得到。在用 DCTM設(shè)立封裝自身的模型時，其N端口網(wǎng)絡(luò)模型還應(yīng)該同時考慮到接腳結(jié)構(gòu)形式對模型的影響。

　　將DCTM模型放到組件接腳對應(yīng)的基板位置以及組件自身電-熱模型的結(jié)對應(yīng)的位置之間，然后即可用電-熱模擬工具進行求解運算。

　　三、不同結(jié)構(gòu)的LED模型

　　對于LED來說，其發(fā)熱功率應(yīng)該等于總輸入功率減去有效發(fā)光功率，這個熱量才是應(yīng)該附加為封裝簡化熱模型的功率值：

P _heat = P_el -P_opt

　　在我們前面的研究中提到，對于有些LED，它們有可能存在一個由串聯(lián)電阻產(chǎn)生的固定熱損耗。因此，總發(fā)熱量應(yīng)該等于結(jié)合串聯(lián)電阻發(fā)熱量之和：

P_heat＝P_D－P_opt＋P_R

　　其中P_D為總輸入電功率，P_R為串聯(lián)電阻的發(fā)熱量。這個參數(shù)的確定方法很簡單：前面我們曾討論了用協(xié)同測量的方法確定P_opt，用同樣的電路連接方式也可以測出串聯(lián)電阻的發(fā)熱量值。

　　串聯(lián)電阻的位置可能跟結(jié)的位置非常接近，也可能離得非常遠，透過這個特征我們可以把LED的熱模型分為熱電阻型和冷電阻型兩類。它們的區(qū)別在于，對于熱電阻型來說，串聯(lián)電阻產(chǎn)生的熱量會和結(jié)產(chǎn)生的熱量一起沿著結(jié)-接腳的熱流路徑流動，而對于冷電阻型來說，熱則沿著不同的路徑流動。在設(shè)立LED的電-熱仿真模型時，一定要注意到這個不同點。

　　四、應(yīng)用實例

　　我們研究了如圖8所示的RGB LED模塊。模塊中的三個LED采用的都是標準封裝。甚至在此例中綠光LED和藍光LED的結(jié)的結(jié)構(gòu)都是非常相似的。

圖8（見02/03月刊） 研究對象LED模塊

　　1、測試

　　我們不但進行了單獨的熱瞬態(tài)測試還進行了熱-光協(xié)同測試。熱瞬態(tài)測試在JEDEC標準靜態(tài)測試箱和附加冷板兩種不同的條件下進行。圖9顯示的是在冷板 (Gdriv_CP)上和在靜態(tài)測試箱(Gdriv)中測得的綠光LED在驅(qū)動點附近的熱阻特征。在圖中可以看到在什么溫度下以及在熱阻值是多少時，熱流路徑產(chǎn)生分離。這個測試結(jié)果驗證了我們前面的論述：在LED封裝內(nèi)部可以假設(shè)熱沿著唯一的通道從結(jié)流向其熱沈。圖中同樣可以讀出在靜止空氣中的對流熱阻。在使用冷板時，對流的作用可以忽略不計。GtoR和GtoB是用綠光LED做加熱驅(qū)動時測量的紅光LED和藍光LED特性曲線。

圖9（見02/03月刊） 在靜態(tài)測試箱和冷板兩種條件下測得的LED模塊的熱阻特性曲線

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