pc-LED双热源热模型实验研究

谢仁璞，靳斌，杨艳，岳兴鹏

（西华大学电气与电子信息学院,四川成都 610039）

荧光粉转换型白光LED（phosphor conversion white light LED，pc-LED）是蓝光LED照明应用的主要方式[1−2]。YAG:Ce3+荧光粉受蓝光激发会发热的现象已经被研究者关注[3−4]，新热源的发现势必影响LED结温和寿命评估，这也要求LED原来的单热源下通道热阻模型，如图1（a）所示，应改进为双热源双通道热阻模型[5]，如图1（b）所示。文献[6]在文献[5]基础上用T3ster热阻仪间接测量了LED整体热阻，用红外热像仪测量了荧光胶温度，并计算了双热源双通道热模型的上下热阻值。本课题组注意到pc-LED的上通道散热不可忽视[7]，发现需要更多的测量信息才能计算出上通道热阻，同时又受文献[6]启发，采用直接测量结温和荧光胶温度的方法进一步研究pc-LED 的散热状态。

图12 种LED热模型图

常规的结温测量方法有正向电压法[8]、管脚测温法[9−10]、红外热像仪法[11−12]。这些方法大都是间接测量法，受标定精度影响，误差较大。虽然管脚测温法是直接测量，但是管脚与LED芯片中间有键合金丝，电路板的热阻、热容都会引入不确定性。荧光胶温度测量方法有红外热成像法[11−12]、光谱法[13−16]等，它们同样受标定精度影响。为此，本文将LED芯片焊接在标准PT100芯片上直接测量结温，把微型热电偶头凝固在荧光胶中测量荧光粉温度，通过直接测量的数据，计算各热阻值和热流值。

1 实验

1.1 样品制备

图2是样品组成图，测结温用德国森姆特薄膜铂电阻PT100芯片（5 mm ×2 mm ×1 mm），测量荧光粉温度用K型热电偶（触点直径为0.2 mm），被测LED是三安光电S-75ABFSD倒装LED芯片（1.8 mm ×1.8 mm ×0.5 mm），额定功率为1 W。

图2 样品组成图

在PT100芯片上缠绕2条相互绝缘的铜箔胶带（厚为0.05 mm）作电极；把LED芯片的二电极用回流焊焊接在PT100芯片上制作的铜电极上；再将PT100芯片用回流焊焊接在铜基板（30 mm ×4 mm ×0.5 mm）上。

因为LED倒装芯片的PN结面直接焊在PT100芯片感温面，所以PT100能直接测量LED结温。微型热电偶凝固在荧光胶中，并不与LED倒装芯片的蓝宝石接触。荧光胶是用直径15μm的荧光粉与环氧胶，按质量比1:10配制。

1.2 测量装置

测量装置如图3所示。可编程直流电源工作在恒流模式，精度为1%，给倒装LED芯片供电；PT100芯片为A级，精度为0.15℃；万用表测Pt100电阻，并将电阻换算成温度，测量精度为1%；创慧积分球和光谱仪CMS-2S，测量光辐射功率，精度为2%；微型热电偶型号为TT-K-36，精度为1.1℃；温度测量仪测量热电偶，精度为1%。实验前用标准测温仪和精密热电阻、热电偶进行比对测量，保证测量精度。

图3 测量装置图

1.3 实验模型

如图4所示，本文提出3种模型，并制作3类测试样品：1）无胶无荧光粉的蓝光LED（模型1），与文献[6]相同；2）有胶无荧光粉的蓝光LED（模型2），与文献[6]相比增加了无穷大热阻R′g（文献[6]认为Tg=Tj2），因为本课题组在实验中发现纯环氧胶温度远高于结温，但是没有出现荧光胶向PN节传递热量的现象；3）有胶有荧光粉的pc-LED（模型3），形式与文献[6]相同（文献[6]设定），但本文不要求Rg与Rph−a+Rph−j相等。

1.4 实验公式

如图4所示，3种模型下通道热阻因为结构和材质相同，所以具有相同的值，计为Rj−s−a，是PN结向下到基板—空气的热阻，如式（1）。3种模型LED芯片的发热功率主要是芯片内量子效率和PN结的薄膜电阻决定，在同一电功率时，发热功率相同，计为Qchip，等于电功率减去模型1的蓝光光功率，如式（2）。

模型3的荧光粉热功率Qphos是蓝光光功率没有完全变为白光光功率产生的，等于模型1的蓝光光功率减去模型3的白光光功率，如式（3）所示。

图43 类LED热模型图

在图4（b）中，模型2的纯胶热功率Qg-a是蓝光在胶中产生，等于模型1的蓝光光功率减去模型2的蓝光光功率，如式（4）所示；模型2的热阻Rg为测点—硅胶—空气热阻，如式（5）所示。

在图4（c）中，模型3的向下热功率为Qj−a，如式（6）所示；荧光胶测点到PN结的热功率如式（7）所示；荧光胶测点到PN结的热阻Rph−j如式（8）所示；荧光胶测点到上空气的热功率Qph−a如式（9）所示；荧光胶测点到上空气的热阻Rph−a如式（10）所示。

定义模型2总发热功率为Q2，all，如式（11）所示；模型3总发热功率为Q3，all，如式（12）所示；荧光粉发热功率为Q3，YAG，如式（13）所示。

定义模型3等效总热阻为Reff，j-a如式（14）所示。

2 实验数据分析

在室温为12.0℃的环境中，3种样品依次在恒流模式下从50 mA开始，每次递增50 mA直至500 mA，先测量电压、电流、结温、胶温，再将样品放入积分球中测量光功率。

经过8次测量，数据稳定，重复性在2%以内，其中的一组数据如表1所示，表中：Pd,w为电功率，Popt,b1为无胶无粉蓝光光功率，Popt,b2为有胶有粉蓝光光功率，Popt,w为有胶有粉白光光功率，Tph为荧光胶温度，Tj1为无胶无粉蓝光芯片结温，Tj2为有胶无粉蓝光芯片结温，Tj3为有胶有粉白光芯片结温，Tg为有胶无粉的环氧胶温度。

为验证本文直接测量的结温可靠性，将本文方法与正向电压法[8]进行对比。在相同条件下，正向电压法测得的结温分别为57.55、58.87、57.31、73.68、72.36、73.37℃，本文方法测得的结温分别为61.82、62.14、61.98、77.47、76.89、77.12℃，其结果相差不大，表明本文方法可信。

本课题组进行多样品反复实验后发现，模型2的环氧胶温度Tg明显高于模型2的结温（电功率为1.45 W时，高65.2℃），说明模型2的环氧胶在发热，但是模型2的结温和模型1的结温几乎相等，说明模型2的胶没有向PN结传递热量，好像存在一个无穷大热阻Rg′。多次实验都是这样结果，说明不是偶然因素导致，所以本课题组在图4（b）中加入无穷大热阻Rg′。

从表1看出，模型3的荧光胶温度高于模型3的结温（电功率1.45 W时，高66.7℃），模型3的结温高于模型1的结温（电功率1.45 W时，高22.2℃），说明荧光粉在发热，而且热量传到模型3的PN结，提升了结温。模型3尽管有向PN结传热，荧光胶的温度Tph仍高于模型2的环氧胶温度Tg（电功率1.45 W时，高25.8℃），说明掺入荧光粉后发热量增量较大。

环氧胶发热在UV-LED应用中是常见现象。文献[8]认为蓝光在胶面有全反射，并被表面胶吸收变成热能，再一个因素是纯环氧胶热导率低（0.2 W/m℃），YAG：Ce3+荧光粉热导率高（24 W/m℃），按照质量比10:1荧光胶导热率比环氧胶提升10倍，所以出现：模型2的环氧胶温度Tg明显高于模型2的结温，但没有明显导热；模型3的荧光胶的温度Tph高于模型3的结温，而且有明显的传热现象。

表2是基于表1的原始数据按照公式（1）—（13），计算出的图4模型中热阻值和热量值，以揭示pc-LED在各种功率下的上下通道热阻和上下通道传热量。

表1 实验测量3种LED的各参数值

从表2数据看出，模型3的上热阻Rph−a是下热阻Rph−j的2.7～5.2倍，这与文献[6]接近。对比Rph−a+Rph−j与Rg，发现工作在大功率状态时它们很接近，这与文献[6]一致，而在低功率状态时，Rph−a+Rph−j比Rg大20%～30%，与文献[6]不同。

荧光粉产生的热量大部分是流向PN结，在表2第10行数据看出，荧光粉产生功率为0.259+0.113=0.372 W，是LED芯片发热功率0.77 W的48%，约69.6%的荧光粉功率流向PN结，导致模型3的结温比模型2的结温高24.3℃（表1第10行），少部分通过LED表面向上散失（占电功率1.45 W的10.0%）。

表3是根据表2数据计算的各模型的光功率占总电功率的比例、模型3向空气的散热量与荧光粉发热量的比例、模型3向空气的散热量与总电功率的比例、按照公式（14）计算的模型3的等效总热阻Reff，j−a、模型3与模型1的热阻差。

表2 LED热功率、热阻计算

从表3第10行数据看出，在光功率与总电功率占比方面，模型1并不低（为47.2%，低电功率时，为61.2%），模型3由于荧光粉发热，其降低很快（为21.6%～26.6%）。光功率占比降低是由于热功率占比上升导致，其中LED芯片热功率Qchip是荧光粉热功率Q3,YAG（=Qphos）的1～2倍，与文献[6]接近，LED芯片发热比文献[6]略大。

pc-LED光电转换效率低是共识，通常20%～30%的电功率转换为光，（这与模型3的光功率占比相同）。从表3第6行数据看出，模型3的等效热阻，比模型1的热阻Rj−s−a小（表3第7行数据），这是因为模型3结温虽然升高很多，同时荧光粉也增加了向下流的热功率，导致向下流的总热功率也增大了很多。这就出现了模型3比模型1结温升高很多，而热阻反而小，看似矛盾的现象，而且这不能理解为是因为上通道也在散热造成的。

表3 各模型占比

现在计算结温的方法通常都是按照模型1[8]式（15），计算结温Tj，而在测试LED热阻时势必是按照更真实的模型运行（即模型3），把模型3的等效总热阻Reff，j-a理解为模型1的下热阻RLED下，这样就把RLED下理解小了。

从表3数据看出，模型3的PN结等效热阻为77.3℃/W（电功率1.45 W时），比模型1的下热阻Rj−s−a的85.8℃/W小8.6℃/W，这个差值应计入灯珠热阻（因为基板等热阻环节相同）。一般的灯珠热阻是几个℃/W，模型认知的错误会导致灯珠热阻评估成倍的减小，导致按照公式（15）计算的结温会明显偏低。

3 结论

本文采用经济、标准的微型测温元件，尽可能减小了对热阻、热容的影响，还避免了T3ster和红外热像仪等昂贵仪器的使用；通过直接测量LED的结温和荧光粉温度，发现了环氧胶也有在蓝光照射下的发热现象，改进了文献[6]提出的双热源双通道散热模型；通过计算出的上下通道热阻和热流量，揭示了pc-LED的散热规律，为LED工程设计提供理论依据。