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。

　　在這篇文章中,，我們將討論怎樣通過實測利用結(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)用到板級的熱仿真以幫助優(yōu)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,。

　　建立LED封裝的簡化熱模型

　　關(guān)于半導(dǎo)體封裝元器件的簡化熱模型（CTM）的建立，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進行了超過10年的討論?，F(xiàn)在,，對于建立封裝元器件特別是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,。為了研究元器件的瞬態(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）,。歐盟通過PROFIT項目制定了建立元器件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模型進行仿真計算。

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

　　直接利用測試結(jié)果建立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)生的熱量基本上是通過一條單一的熱流路徑“芯片-散熱塊-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通過,，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,。 thJCR

　　圖3和圖4所示的是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： thJCR

　　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發(fā)生分離,，通過分離點即可很方便的分辨出結(jié)-板之間的熱阻值。 thJCR

　　如果需要建立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)熱模型的建立。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,。 thJCR

　　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物理結(jié)構(gòu)的折算熱阻和熱容值。這里提到的基于NID的模型生成方法,，是在時間常數(shù)上進行的離散化,。這種方法已經(jīng)被成功用于生成堆疊芯片的模型生成。這種封裝中通常會有多條熱流路徑,，當附加在封裝表面的邊界條件不同時,，則不能把生成的階梯型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分結(jié)構(gòu)函數(shù)。有文獻指出,，改變一級LED熱沉的表面接觸特性并不會對熱流路徑上位于其之前的部分產(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。

　　LED的熱-光協(xié)同測試 半導(dǎo)體器件的熱瞬態(tài)測試基于的是電學(xué)的測試方法,。常規(guī)元器件的熱阻（或者瞬態(tài)時的熱阻特性曲線）可以用測得的元器件溫升和輸入的電能來計算得到,。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建立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,。

　　被測元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)范和推薦設(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）,。

　　當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,，所以元器件的結(jié)溫可以通過熱電制冷片的溫度反推計算出來。

　　根據(jù)瞬態(tài)冷卻曲線,，并同時考慮元件的有效光能輸出,，我們可以計算出被測元件的熱阻特性曲線。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,。

　　板級電-熱仿真

　　用同步迭代法進行電-熱封閉仿真的原理 我們用同步迭代法進行處在電路中的半導(dǎo)體元件的電-熱仿真。

　　對于安裝于基板上的有源半導(dǎo)體器件來說（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,，這就要求其基板與元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?；谶吔鐥l件的基板模型可根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境來確定,。然后，包含元件和基板的熱阻網(wǎng)絡(luò)就可以和電路一起用同步迭代法進行協(xié)同求解了,。

　　我們用半導(dǎo)體元件的電-熱模型把電,、熱兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)同起來：每個元件都用一個熱節(jié)點來代替（如圖7）。元器件的發(fā)熱量通過熱節(jié)點來驅(qū)動整個熱網(wǎng)絡(luò)模型,。元件的電參數(shù)與其溫度有關(guān),，可根據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的計算結(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)立迭代求解,，并可以給出一組封閉解。

　　基板的簡化熱模型 對于任何基于同步迭代法進行電-熱協(xié)同仿真的仿真工具來說,，最核心的問題都是怎樣生成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),，對于其中任何一個端口來說,，它都對應(yīng)某個半導(dǎo)體元器件（如圖7）,。這個N端口模型通過N個驅(qū)動點的阻力特征來描述給定半導(dǎo)體元器件到環(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元器件之間的耦合熱阻,。

　　NID方法用的是時間或者頻域響應(yīng)來生成簡化熱模型。用一個快速的熱仿真工具對響應(yīng)曲線進行計算,，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)一起用高效的計算方法進行仿真計算,。

　　板級擴展 熱仿真計算器會對回路中每一個熱源進行熱時間常數(shù)的自動計算,。對于芯片級的IC來說這種計算方法非常適用。

　　當器件的電性能與溫度的相關(guān)性不大時我們可以使用“僅進行熱仿真計算”模式,。熱仿真計算器現(xiàn)在是可以直接使用半導(dǎo)體封裝的DCTM模型的,。通過對DCTM及PWB的詳細模型一起進行仿真計算，我們就能得到元件以及基板的溫度,。

　　在進行電-熱協(xié)同仿真時,，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生成固定于任何基板上的半導(dǎo)體元件的用于電-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)模型相同的方法來計算得到,。在用DCTM建立封裝自身的模型時，其N端口網(wǎng)絡(luò)模型還應(yīng)該同時考慮到管腳結(jié)構(gòu)形式對模型的影響,。

　　將DCTM模型放到到元件管腳對應(yīng)的基板位置以及元件自身電-熱模型的結(jié)對應(yīng)的位置之間,，然后即可用電-熱仿真工具進行求解計算。

　　不同結(jié)構(gòu)LED的模型

　　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)該附加給封裝簡

　　化熱模型的功率值：

　　optelheatPPP−=

　　在我們前面的研究工作中提到，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)和串聯(lián)電阻發(fā)熱量之和：

　　RoptDheatPPPP+−=

　　其中為總輸入電功率,，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,，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。 DPRPoptP

　　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，通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)-管腳的熱流路徑流動，而對于冷電阻型來說,，熱則沿著不同的路徑流動,。在建立LED的電-熱仿真模型時,，一定要注意到這個不同點,。

　　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,。

　　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)流向其熱沉,。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,。

　　我們還在積分球中進行了LED發(fā)光效率的測試,。發(fā)現(xiàn)綠光LED的發(fā)光效率會隨著冷板溫度的升高而下降,，這與圖6顯示的情況類似,。

　　LED封裝的DCTM模型可通過前面提到的流程來生成,，此模型可用于LED的板級熱仿真分析,。對于用于電-熱仿真工具的LED模型,，模型中的電模型部分用的是標準化的LED電模型，其參數(shù)應(yīng)根據(jù)實際LED元件的特性參數(shù)來確定,。

　　仿真 我們建立了這個包含三個LED封裝的LED模塊的熱模型：用3*3mm的方塊來代替實際器件圓型的管腳,，在笛卡爾坐標系中即可建立LED模塊的近似幾何模型,。如下圖所示的考爾型RC網(wǎng)絡(luò)模型即是我們用來描述LED封裝的DCTM模型。

　　把三個LED封裝安裝在面積為30*30mm^2,、厚度為2.5mm的鋁基板上構(gòu)成我們研究的LED模塊,。通過把模塊安裝到冷板上進行測試，我們已經(jīng)得到了模塊的熱模型,。為了驗證模型的準確性,，我們在靜態(tài)測試箱這個環(huán)境下對LED模塊進行了仿真分析，而前面我們也已經(jīng)完成了靜態(tài)測試箱環(huán)境下的測試工作,。通過仿真與實測的對比即可驗證模型的準確性,。

　　從圖10中我們可以看出仿真得出的熱阻特性曲線和圖9中所示的實測曲線非常相近,。仿真同樣也準確預(yù)測了綠光LED與其他兩顆LED之間的熱延遲現(xiàn)象：藍光和紅光LED的結(jié)溫在1s以后才開始升高,。從圖11中表征驅(qū)動點的熱阻特性的時間常數(shù)來看,，測試結(jié)果和仿真結(jié)果也是高度吻合的,。

　　從圖9同時可以看出，表示封裝內(nèi)部各組分的時間常數(shù)應(yīng)該位于10s以內(nèi),。10s以外的時間常數(shù)表示的是LED封裝外的散熱環(huán)境（靜態(tài)測試箱中的MCPCB）,。

　　小結(jié)

　　本文討論了不同結(jié)構(gòu)下LED以及LED組件的測試和仿真技術(shù),。在測試中，我們成功的應(yīng)用了一種熱-光協(xié)同測試方法,，用這種方法可以分辨出在LED工作時真正起到加熱LED結(jié)的熱量的大小,。同樣的測試設(shè)置,，還可用來測LED的發(fā)光效率以及它的一些基本電學(xué)參數(shù)，這是因為這些參數(shù)都是其結(jié)溫的函數(shù)。同時,，我們介紹了一種利用熱瞬態(tài)測試結(jié)果直接生成LED的CTM簡化熱模型的方法。文中成功的把芯片級的電-熱協(xié)同仿真方法推廣到了板級仿真,。在進行板級仿真時，成功的應(yīng)用了LED封裝的CTM模型,。

　　圖1：一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

　　注：數(shù)據(jù)來源于Lumileds Luxeon DS25的性能數(shù)據(jù)表

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

　　圖3：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：微分結(jié)構(gòu)函數(shù)：安裝于MCPCB的1W紅光LED

　　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,。

　　在這篇文章中,，我們將討論怎樣通過實測利用結(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)用到板級的熱仿真以幫助優(yōu)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,。

　　建立LED封裝的簡化熱模型

　　關(guān)于半導(dǎo)體封裝元器件的簡化熱模型（CTM）的建立，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進行了超過10年的討論?，F(xiàn)在，對于建立封裝元器件特別是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,。為了研究元器件的瞬態(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）。歐盟通過PROFIT項目制定了建立元器件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模型進行仿真計算,。

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

　　直接利用測試結(jié)果建立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)生的熱量基本上是通過一條單一的熱流路徑“芯片-散熱塊-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通過，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,。 thJCR

　　圖3和圖4所示的是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： thJCR

　　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發(fā)生分離,，通過分離點即可很方便的分辨出結(jié)-板之間的熱阻值,。 thJCR

　　如果需要建立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)熱模型的建立,。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,。 thJCR

　　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物理結(jié)構(gòu)的折算熱阻和熱容值,。這里提到的基于NID的模型生成方法，是在時間常數(shù)上進行的離散化,。這種方法已經(jīng)被成功用于生成堆疊芯片的模型生成。這種封裝中通常會有多條熱流路徑,，當附加在封裝表面的邊界條件不同時,，則不能把生成的階梯型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分結(jié)構(gòu)函數(shù),。有文獻指出，改變一級LED熱沉的表面接觸特性并不會對熱流路徑上位于其之前的部分產(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。

　　LED的熱-光協(xié)同測試 半導(dǎo)體器件的熱瞬態(tài)測試基于的是電學(xué)的測試方法,。常規(guī)元器件的熱阻（或者瞬態(tài)時的熱阻特性曲線）可以用測得的元器件溫升和輸入的電能來計算得到,。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目梢姽廨敵觥Ｒ舱且驗檫@樣,，我們在利用直接測試的方法去建立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,。

　　被測元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)范和推薦設(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）,。

　　當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,，所以元器件的結(jié)溫可以通過熱電制冷片的溫度反推計算出來,。

　　根據(jù)瞬態(tài)冷卻曲線，并同時考慮元件的有效光能輸出,，我們可以計算出被測元件的熱阻特性曲線,。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,。

　　板級電-熱仿真

　　用同步迭代法進行電-熱封閉仿真的原理 我們用同步迭代法進行處在電路中的半導(dǎo)體元件的電-熱仿真,。

　　對于安裝于基板上的有源半導(dǎo)體器件來說（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,，這就要求其基板與元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,，包含元件和基板的熱阻網(wǎng)絡(luò)就可以和電路一起用同步迭代法進行協(xié)同求解了。

　　我們用半導(dǎo)體元件的電-熱模型把電,、熱兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)同起來：每個元件都用一個熱節(jié)點來代替（如圖7）,。元器件的發(fā)熱量通過熱節(jié)點來驅(qū)動整個熱網(wǎng)絡(luò)模型。元件的電參數(shù)與其溫度有關(guān),，可根據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的計算結(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)立迭代求解,，并可以給出一組封閉解,。

　　基板的簡化熱模型 對于任何基于同步迭代法進行電-熱協(xié)同仿真的仿真工具來說，最核心的問題都是怎樣生成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),，對于其中任何一個端口來說，它都對應(yīng)某個半導(dǎo)體元器件（如圖7）,。這個N端口模型通過N個驅(qū)動點的阻力特征來描述給定半導(dǎo)體元器件到環(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元器件之間的耦合熱阻,。

　　NID方法用的是時間或者頻域響應(yīng)來生成簡化熱模型,。用一個快速的熱仿真工具對響應(yīng)曲線進行計算，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)一起用高效的計算方法進行仿真計算,。

　　板級擴展 熱仿真計算器會對回路中每一個熱源進行熱時間常數(shù)的自動計算。對于芯片級的IC來說這種計算方法非常適用,。

　　當器件的電性能與溫度的相關(guān)性不大時我們可以使用“僅進行熱仿真計算”模式,。熱仿真計算器現(xiàn)在是可以直接使用半導(dǎo)體封裝的DCTM模型的。通過對DCTM及PWB的詳細模型一起進行仿真計算,，我們就能得到元件以及基板的溫度,。

　　在進行電-熱協(xié)同仿真時，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生成固定于任何基板上的半導(dǎo)體元件的用于電-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)模型相同的方法來計算得到。在用DCTM建立封裝自身的模型時,，其N端口網(wǎng)絡(luò)模型還應(yīng)該同時考慮到管腳結(jié)構(gòu)形式對模型的影響,。

　　將DCTM模型放到到元件管腳對應(yīng)的基板位置以及元件自身電-熱模型的結(jié)對應(yīng)的位置之間，然后即可用電-熱仿真工具進行求解計算,。

　　不同結(jié)構(gòu)LED的模型

　　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)該附加給封裝簡

　　化熱模型的功率值：

　　optelheatPPP−=

　　在我們前面的研究工作中提到,，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)和串聯(lián)電阻發(fā)熱量之和：

　　RoptDheatPPPP+−=

　　其中為總輸入電功率,，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，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,。 DPRPoptP

　　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，通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)-管腳的熱流路徑流動,，而對于冷電阻型來說,，熱則沿著不同的路徑流動。在建立LED的電-熱仿真模型時,，一定要注意到這個不同點。

　　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。

　　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)流向其熱沉。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,。

　　我們還在積分球中進行了LED發(fā)光效率的測試,。發(fā)現(xiàn)綠光LED的發(fā)光效率會隨著冷板溫度的升高而下降，這與圖6顯示的情況類似,。

　　LED封裝的DCTM模型可通過前面提到的流程來生成,，此模型可用于LED的板級熱仿真分析。對于用于電-熱仿真工具的LED模型,，模型中的電模型部分用的是標準化的LED電模型,，其參數(shù)應(yīng)根據(jù)實際LED元件的特性參數(shù)來確定。

　　仿真 我們建立了這個包含三個LED封裝的LED模塊的熱模型：用3*3mm的方塊來代替實際器件圓型的管腳,，在笛卡爾坐標系中即可建立LED模塊的近似幾何模型,。如下圖所示的考爾型RC網(wǎng)絡(luò)模型即是我們用來描述LED封裝的DCTM模型。

　　把三個LED封裝安裝在面積為30*30mm^2,、厚度為2.5mm的鋁基板上構(gòu)成我們研究的LED模塊,。通過把模塊安裝到冷板上進行測試，我們已經(jīng)得到了模塊的熱模型。為了驗證模型的準確性,，我們在靜態(tài)測試箱這個環(huán)境下對LED模塊進行了仿真分析,，而前面我們也已經(jīng)完成了靜態(tài)測試箱環(huán)境下的測試工作。通過仿真與實測的對比即可驗證模型的準確性,。

　　從圖10中我們可以看出仿真得出的熱阻特性曲線和圖9中所示的實測曲線非常相近,。仿真同樣也準確預(yù)測了綠光LED與其他兩顆LED之間的熱延遲現(xiàn)象：藍光和紅光LED的結(jié)溫在1s以后才開始升高。從圖11中表征驅(qū)動點的熱阻特性的時間常數(shù)來看,，測試結(jié)果和仿真結(jié)果也是高度吻合的,。

　　從圖9同時可以看出，表示封裝內(nèi)部各組分的時間常數(shù)應(yīng)該位于10s以內(nèi),。10s以外的時間常數(shù)表示的是LED封裝外的散熱環(huán)境（靜態(tài)測試箱中的MCPCB）,。

　　小結(jié)

　　本文討論了不同結(jié)構(gòu)下LED以及LED組件的測試和仿真技術(shù)。在測試中,，我們成功的應(yīng)用了一種熱-光協(xié)同測試方法,，用這種方法可以分辨出在LED工作時真正起到加熱LED結(jié)的熱量的大小。同樣的測試設(shè)置,，還可用來測LED的發(fā)光效率以及它的一些基本電學(xué)參數(shù),，這是因為這些參數(shù)都是其結(jié)溫的函數(shù)。同時,，我們介紹了一種利用熱瞬態(tài)測試結(jié)果直接生成LED的CTM簡化熱模型的方法,。文中成功的把芯片級的電-熱協(xié)同仿真方法推廣到了板級仿真。在進行板級仿真時,，成功的應(yīng)用了LED封裝的CTM模型,。

　　圖1：一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

　　注：數(shù)據(jù)來源于Lumileds Luxeon DS25的性能數(shù)據(jù)表

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

　　圖3：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：微分結(jié)構(gòu)函數(shù)：安裝于MCPCB的1W紅光LED

　　圖5：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）

　　圖6：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

　　圖7：安裝于一個用N-Port方法建立的基板簡化熱模型上的二極管的電-熱模型示意圖

　　圖8：研究對象LED模塊

　　圖9：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

　　（用綠光LED做加熱熱源,，同時測量了三個LED）

　　圖10：用綠光LED做加熱熱源時,，處于靜態(tài)測試箱中的三個LED的熱阻特性曲線

　　圖11：綠光LED做加熱熱源時，表示處于靜態(tài)測試箱中的LED模塊驅(qū)動點的熱阻特征的時間常數(shù)的實測結(jié)果（上）和仿真結(jié)果（下）