GB/T38621-2020
发光二极管模块热特性瞬态测试方法
Transientthermaltestmethodforlightemittingdiodemodules
- 中国标准分类号（CCS）L63
- 国际标准分类号（ICS）31.120
- 实施日期2020-11-01
- 文件格式PDF
- 文本页数13页
- 文件大小1.52M
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发光二极管模块热特性瞬态测试方法
国家标准 GB/T38621一2020 发光二极管模块热特性瞬态测试方法 Iransientthermaltestmethodforlightemittingdiodemodules 2020-04-28发布 2020-11-01实施 国家市场监督管理总局 发布 国家标涯花警理委员会国家标准
GB/T38621一2020 次 目 前言 范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义 原理 -般要求 测试步骤 结果分析及计算 8 测试报告 附录A资料性附录)相关测试结果分析示例 附录B规范性附录相对热特性瞬态测试方法 参考文献
GB/38621一2020 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草
请注意本文件的某些内容可能涉及专利
本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任 本标准由工业和信息化部提出并归口
本标准起草单位:科学院半导体研究所、电子技术标准化研究院
本标准主要起草人;赵丽霞、马占红、符佳佳、孙雪娇、李晋闽、刘秀娟、赵英
GB/T38621一2020 发光二极管模块热特性瞬态测试方法 范围 本标准规定了由单个、多个发光二极管(LED)芯片或器件组成的LED模块热特性瞬态测试方法原 -般要求.,测试步骤、结果分析及计算、测试报告
理、 本标准适用于单个、多个LED芯片或器件封装而成的模块,以及LED芯片或器件和其他微电子器 件构成的模块热特性测量
其他多芯片或器件封装而成的模块热特性测量也可参考
规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的
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SI/T11394一2009半导体发光二极管测试方法 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件
3.1 发光二极管模块lightemittingdiodemodule LED模块LEDmodale 个或多个LED芯片或器件组成的发光单元
注:可包括提高其光、机、电,热等特性的其他元器件,但是并不包括电子控制装置
3.2 结温junetiontemperature 模块中主要发热部分的半导体pn结的温度
3.3 基板温度basetemperature 模块功率集中区对应的焊盘点或由制造商指定的测量点的温度
3.4 热功率heatpower IED模块处于工作状态下,由所提供电总功率减去光辐射功率所得的热损耗功率
3.5 热阻thermalresistanee R 沿热流通道上的温度差与通道上耗散的热功率之比
3.6 结-基板热阻thermalresistancefromjunetio Dn-t0-base Pn结到基板之间的热阻
GB/T38621一2020 3.7 结-环境热阻 thermalresistaneefromjunetion-toambient Pn结到环境之间的热阻
3.8 瞬态测试transienttest 对一个稳态到另一个稳态快速变化过程中相关物理参数的测量
3.9 瞬态双界面测量transiemtdualinterfacetest 对具有不同接触界面的LED模块进行瞬态测试 原理 LED模块作为光电器件,在恒定小电流下,其电压会随所处工作环境的温度变化而改变,由此可建 立电压和温度的对应关系
通过测量稳定状态下的电压值,就可以获得对应温度,进而计算得到稳态热 阻,见s/T11394一2009
但是稳态热阻表征的是整体热学特性,而瞬态测试则可以反映LED模块各 组成部分的热学特性
在LED模块工作电流快速切换到小电流(自身所产热量忽略不计)的瞬态降温过程中,热由结区通 过底部逐步散热传递到外界环境
由于芯片,粘结层,支架,热沉和散热器的导热系数及接触面积不同 会导致不同的散热效果,并影响到降温速度
通过快速记录LED模块由工作电流快速切换到小电流的 电压变化过程,并利用温度敏感系数人转换成瞬态温度响应曲线,即可以得出LED模块不同组成部分 芯片、粘结层、支架、热沉和散热器等)的热特性
其测试系统示意图如图1所示
LED模块 温控仪 恒流源 计算机 数据采集 图1测试系统示意图 S 一般要求 5.1测试条件 测试条件如下 环境温度;15C35C; a b 相对湿度:20%~80%; 大气压:86kPa106kPa; c d)测试环境应无影响测试准确度的机械振动、电磁、光照等干扰
GB/38621一2020 5.2测试系统 发光二极管模块热特性瞬态测试系统主要由计算机、恒流源、数据采集系统、温控仪组成
不确定 度应符合规范要求,在校准有效期内
其中,温控仪用来控制待测模块的温度,温控仪测温精度应优于 0.5,控制误差应不大于士1C 测试步骤 6 6.1准备 首先检查并确定测试系统各设备处于良好状态
将各个硬件设备用数据传输线连接,检查硬件连 接情况,确保系统连线的正确
6.2测试 具体测试步骤如下 在温控仪的控温板上涂抹适量导热材料,将LED模块放置在温控仪导热材料覆盖的区域保 证LED模块和温控仪紧密接触; 利用恒流源驱动LED模块,在恒定小电流条件下(模块的自热效应可以忽略,如1w的LED b 模块可以使用电流0.lmA1.0mA),通过计算机控制改变温控仪的温度,测试不同温度下 LED模块对应的电压,得到电压与温度的对应曲线,如图2所示,拟合数据,得到温度敏感系 数k; 利用恒流源在恒定大电流条件下驱动LED模块,使其达到热稳定状态,记录最后热稳态时的 电压值; 将恒流源快速切换到小电流[与步骤b)所用电流一致],记录对应的电压变化曲线; 根据电压与温度的对应关系拟合温度敏感系数人,并最终获得温度随时间变化的快速冷却曲 线,如图3所示 测试完全结束后关闭所有仪器电源
5.22 5.20 5.18 5.16 5.14 5.12 5.10 5.08 5.06 80 90 20 30 40 50 70 60 温度/C 图2LED模块电压与温度的对应关系
GB/T38621一2020 6 11 10 1E-5 1E-4 lE-3 0.01 0.1 10 100 时间/s 图3LED模块瞬态快速冷却曲线 结果分析及计算 7.1热阻热容模型及结构函数 当热功率施加到LED模块上,不仅具有热阻R,而且也包含热容Cn,会有一个温度响应时间 T(t)
在获得快速冷却曲线后,可以通过一维热流的热阻热容RhC模型来描述,见公式(1): T()=P
Rh[l一exp(一1/r)力 (l 式中 T(t) 瞬态温度,单位为开尔文(K); P 热功率,单位为瓦(w); R 热阻,单位为开尔文每瓦(K/w); 时间,单位为秒(s); 该模型的时间常数
下=RhCnh LED模块由多层材料组成,对应不同的时间常数,因此,其温度响应时间见公式(2) ro)=P,>,只au- 一exp(一1/T] 式中 T(t 瞬态温度,单位为开尔文(K); 热功率,单位为瓦(w); P 每一层材料的热阻,单位为开尔文每瓦(K/w): R 时间,单位为秒(s); ，=RC 每一层材料对应的时间常数
4 对于一维热流传导而言,其热流方程见公式(3): aH 2T 是 a1t 式中 T 温度,单位为开尔文(K); -单位长度的热阻,单位为开尔文每瓦(K/w); r(.Z
GB/38621一2020 -单位长度的热容
c(.r 总的热阻按公式(4)计算 p(.r) r()do,r(.r)=dp/d 将变量引人到公式(3),可以得到公式(5) aH 'T ,K(p)=c(r)/r(r) = 式中: K(p) -维热流RhC模型上空间参数的变化,即该一维模型的结构,被称为结构函数
根据热阻热容模型及结构函数,对测试数据进行分析计算,即可获得LED模块热特性的积分结构 丽数和微分结构函数曲线,参见附录A中的图A.1. 由于结构和材料的不同,器件的不同部分在积分结构函数曲线上的斜率会发生变化,在微分结构函 数则会以拐点等形式分割开来
越靠近纵轴代表实际散热路径上越接近模块结区;曲线上平坦的区域 代表模块内部热阻大,热容小的结构,陡峭的区域代表内部热阻小,热容大的结构;曲线末端,其值趋向 于一条垂直的渐近线,代表热流传导到了空气层中
依据微分结构函数曲线的不同拐点,结合LED模 块各层具体结构,就可以得到LED模块各层材料热阻及总热阻,参见图A.2
相关测试结果分析示例 参见附录A
7.2不同界面相对热特性瞬态测试 瞬态测试LED模块热特性需要测试实际的热功率及温度敏感系数,但是LED模块在使用过程中 其热功率或温度敏感系数有可能发生改变
采用不同界面相对热特性瞬态测试方法,将更加有利于分 辨出不同热特性的变化,具体数据处理见附录B 测试报告 报告应包括下列内容; 测试人员 a 使用仪器 b 样品名称、标识等信息; c d 测试环境(环境温度,基板温度,湿度等) 测试方法 e f 测试条件(恒定小电流、恒定大电流等) 测试结果(电压电流曲线、快速冷却曲线、结构函数曲线及各组成部分热特性参数等)
g
GB/T38621一2020 附 录 A 资料性附录) 相关测试结果分析示例 可以对测得的快速冷却曲线,通过基于一维热流的热阻热容R;C模型及结构丽数进行结果分 析和计算,得到积分结构函数和微分结构函数曲线,如图A.1所示
10" lor 10 10 10 、 0 10 10 10 0r " 10- 10r 10-？ 10-！ 10- 10 10- 10 10- 10 10 10 10 1012141618 W 681012141618 热阳 热阻/(K/w 积分结构函数 微分结构函数 图A.1LED模块热特性曲线 依据微分结构函数曲线的不同拐点，结合LED模块各层具体结构,就可以得到LED模块各层材料 热阻等相关热特性参数,如图A.2所示,具体如下 芯片层的热阻为:l.0K/w 粘结层的热阻为:3.6K/W; 支架的热阻为:0.6K/w; 导热硅脂一的热阻为:5.8K/w -铝基板的热阻为:l.4K/w; 导热硅脂二的热阻为:2.0K/w
最终可以获得该LED模块的总热阻为l4.4K/w
GB/T38621一2020 10 10 微分结构函数 10 10 10 铝基板十导热硅脂 芯片 粘结层 支架 导热硅脂 10' 3.4K/w .0K/w3.6K/w0.6K/w 5.8K/w 10 10 10 10 10-！ 10-" 10- 10-" 10-6 10 热阻/(K/w 图A.2由LED模块微分结构函数得出每层材料的热特性参数
GB/T38621一2020 录 附 B 规范性附录) 相对热特性瞬态测试方法 采用不同界面相对热特性瞬态测试方法,将更加有利于分辨出不同热特性的变化
根据公式(2) 可以得到瞬态热阻Ra()的计算公式,见公式(B.1): 贾 -习R怕[口一exp(-!/E)刀 Rh(=一 B.1 令==In(t),并用对Ra(t)取微分,可以得到公式(B.2): -是R.()-是 b(:) B.2 由于LED的温度和电压近似为线性关系,公式(B.2)可以转换为公式(B.3): b(=
是v(e) B.3 为了消除热功率P及温度敏感系数人的影响,对公式(B.3)取对数并归一化,可以得到公式(B.4): .(B.4 B(:)=ln[b(:刀 以中功率LED模块为例,利用相对热特性瞬态测试分析有无导热硅脂的情况
首先,按第6章对 具有不同接触界面的IED模块进行瞬态热特性测试
第一次测量时可以在冷板和待测模块之间不放 置任何热界面材料
第二次测量在界面处放置一层导热硅脂,如图B.1所示
25 20 无导热硅脂 56C 5 有导热硅胎 G E-61E-5 1E-41E30.01 l0 100 0.1 时间/s 图B.1有无导热硅脂的L.ED模块瞬态温度变化曲线 -般热瞬态测试采用降温过程,测得的温度敏感系数为负值,但是为了便于分析,在测瞬态温度曲 线时可以使用温度敏感系数的绝对值,那么瞬态温度曲线可以采用温升曲线,而不影响热阻结构函数的 计算
对两次结果进行数据分析,获得微分结构函数曲线,如图B.2所示
热界面的不同使得两次测量得 到的温度变化曲线和微分结构函数曲线在某个时刻t，出现明显分离
GB/T38621一2020 有导热硅脂 无导热硅脂 10° 10 101 10: 10 10- 10- 16 热阻/(K/w 图B.2有无导热硅脂的LD模块微分结构函数曲线 图B.3显示了有无导热硅脂的IED模块双界面相对瞬态热特性分析曲线
其中,双峰分别对应芯 片与铜柱之间的粘结层以及器件与铝基板之间的界面材料
可以看出有无导热硅脂的LED模块在相 对热特性曲线中的第二个峰的区域显示出明显的差异
注在选择双界面材料时,宜尽可能选择导热差异比较大的界面材料,以便更好地找到分离点
100 无导热硅脂 10 有导热硅脚 1E-5 1E-4 lE-3 0.01 0.1 10 100 时间/s 图B.3有无导热硅脂的LED模块双界面相对瞬态热特性分析曲线
GB/T38621一2020 参 考文献 circuitsthermalmeasurementmethodElectricaltestmethod [1]以IA/JEsD51-1lntegrated semiconductordevice single Transientdualinterfacetestmethodforthemeasurementofthethermal [[2]EIA/JESD51-14 resistanceiunction-to-caseofsemiconductordeviceswithheatlow throughasinglepath JESD51-51 lmplementationoftheelectriealtestmethodforthemeasurementofrealther malresistanceandimpedanceoflight-emittingdiodeswithexposedcooling Transientthermalanalysisasmeasurementmmethodforstructuralintegrity,ChinesePhysics B,2015,24(6):47-64. [5” Practicalinternationalstandardfortransientthermalresistance measurementsforIEDs 13thChinalnternationalForumonSolidsitateLighting,November15-17.,2016.,IBeijng,Chinat [[6]GaN基LED可靠性及失效机理的研究.科学院大学博士学位论文,2016. 0
发光二极管模块热特性瞬态测试方法GB/T38621-2020
随着发光二极管（LED）技术的不断进步，其在照明、显示等领域得到了广泛应用。而作为一种半导体器件，LED也会因为温度的变化而导致性能表现不稳定。因此，对LED的热特性进行测试具有重要意义。
针对这一需求，国家标准化管理委员会发布了最新的国家标准GB/T38621-2020，其中包含发光二极管模块热特性瞬态测试方法的规定。该标准规定了测试过程中所需要的设备和环境条件，以及测试步骤和数据处理方法。
GB/T38621-2020标准要求测试时使用的环境温度应在25°C±1°C之间，并且测试时间应在10ms以内。同时，该标准还规定了测试时所需的设备，包括热电偶、功率计等。
在测试过程中，需要对LED模块施加矩形脉冲电流，并通过热电偶测量其温度变化。然后，根据所得数据计算出LED模块的热阻和热容值，以及温度响应时间等参数。
需要注意的是，由于测试过程中的热惯性效应，测试结果受到一定程度的影响。因此，在进行测试时需要对数据进行适当的修正处理。
总之，GB/T38621-2020标准为发光二极管模块热特性瞬态测试提供了明确的规范和方法，有助于提高LED产品的稳定性和可靠性，同时也方便生产企业进行质量控制和产品检验。
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