Path: EDNTaiwan電子技術設計 >> 設計中心 >> 電源/智慧型能源 >> 先進的LED熱傳特徵化技術
電源/智慧型能源 Share print

先進的LED熱傳特徵化技術

2012年07月01日

Share this page with your friends

採用遵循JESD51-14和CIE 127-2007的JEDEC標準靜態測試方法來進行暫態熱傳量測,可增加發光二極體(LED)熱傳特徵化(thermal characterization)的準確度。明導國際的T3Ster系統可遵循這些標準,並在一天內完成超過100次的LED熱傳量測,獲得最正確的結果。T3Ster後處理軟體能完全支援此最新的接面至外殼(junction-to-case)熱阻量測測試標準。這篇文章將討論提升熱傳特徵化作業的重要性,以及T3Ster和TERALED系統將如何為照明製造商與它們的客戶解決這項設計挑戰。

LED的演進

麥肯錫報告指出,一般照明、汽車照明和背光是照明產業的三大應用市場,其中一般照明約佔全球市場的75%[1]。現在,幾乎所有照明產業都正以前所未有的速度朝以LED技術為基礎的固態照明(SSL)解決方案移轉。有許多因素推動著這項轉變的發展,包括立法、更佳的效率、以及價格快速下跌等。

圖1
圖1:EU已規定,2011~2012年生產的新車必須使用LED作為晝行燈

美國於2007年通過的能源獨立與安全法案要求,能產生310–2600流明(lm)的一般燈泡必須比白熾燈的效率高30%,並希望能於2012年達到取代100W白熾燈、以及2014年取代40W燈泡的目標。全球其他國家也立法規範,將逐步禁止使用白熾光源。LED在DRL (晝行燈)的應用已漸趨廣泛,歐盟亦強制要求2011–2012年起生產的新車必須採用LED。OEM為擴充產品線,也積極採用LED技術以強化其競爭優勢。

IMS Research 表示,2009至2016年間,大於300流明的LED營收年複合成長率將大於40%,其中,高亮度LED (HB LED)是成長最快的區塊,這主要是受到成本大幅下降所推動。Vantage Point公司執行長Alan Salzman指出,他預期LED價格會從2011年年中的每流明1美分,下降到2012年底的每流明0.25美分,以及2015年的每流明0.1美分。他還進一步預測,到2006年,LED將佔整個一般照明市場的50% [3](圖二)。

圖2
圖2:未來四年高亮度LED市場將快速成長

需要正確的熱指標

工程師在設計階段會將用來定義電子元件熱效能的指標納入考慮,以為其應用選擇最適當的元件 ─ 不同元件的各種優點與缺點,會依其成本與效能來進行評估比較。

提供熱指標通常是供應商和客戶間商業協議的一部分。如果元件的效能未能如廣告所說的一樣,將會嚴重影響獲利,因為供應商必須支付大量召回與維修的成本,同時還會衝擊到公司的形象。另一方面,公布正確的熱指標值,並提供準確的熱傳模式,將能有助於提升LED銷售,強化公司形象,並保持客戶忠誠度。

提供所需的準確性

幸運的是,正確的熱效能是可以被量測的。聯合電子元件工程委員會(JEDEC)已根據最新的暫態量測技巧,為接面至外殼的熱阻量測制訂了新的JESD51-14標準[4]。接面至外殼熱阻是封裝LED最適用的熱指標,因為它代表了PN接面產生的熱將如何從底部流到外殼 ─ 這也就是LED封裝的散熱設計方式。

此方法採用「雙介面」(“dual interface”)方式,元件分別是以對具有以及不具有散熱膏(thermal grease)的散熱板進行量測。接面至外殼熱阻是由兩個量測間的差異所決定的。因為兩種量測的熱阻曲線,在熱源開始離開封裝,並進入封裝與散熱板間的熱介面點必須一致,因此量測需要有非常高的可重複性。這能確保曲線偏離的點能清楚找到。

LED 的電氣特性簡易,但熱傳特性複雜

從半導體的觀點來看,LED的PN接面非常簡單。明導國際的MicReD T3Ster熱傳測試設備可用來測試複雜度更高的半導體產品,因此大家常認為LED的量測應該是輕而易舉的事,但事實上並非如此。

LED在熱傳特徵化方面有許多的挑戰。LED的尺寸通常很小,要在未黏著的狀況下測量很不容易。幸運的是,雙介面方式可將元件黏著至兩個不同的基板上,再進行量測。LED相較於半導體元件的另一個挑戰是,它會發光。

對LED來說,發光是熱阻定義的核心。大部分的半導體元件,僅需將升溫除以通過封裝的功率就能簡單計算出熱阻值。這是因為,所有供應的功率都會被轉換為熱。然而,對LED來說卻不是如此,它有一大部分的能量會被轉換為光源,這也是為什麼LED能被作為光源的原因。根據LED型態的不同,它的能源轉換效率最高會達到30~40%。

以上述的轉換效率為準,若封裝的熱阻是以供應功率,而非正確的轉換功率來計算,所得到的熱阻就會比實際值低很多。這會讓人誤以為,這顆LED封裝會擁有遠較實際情況為佳的散熱效果。

先進的LED熱傳特徵化技術

T3Ster採用「智慧型」方式來建置JEDEC靜態測試方法(JESD51-1),可在加熱或冷卻的暫態過程中進行連續量測,並可作為JESD51-14測試方法的基礎。與其他方法相比,此技巧能以更簡易的方式進行暫態量測,並取得更豐富的數據。

T3Ster系統能在一天內完成超過100次遵循JESD51-1/JESD51-14標準的LED熱傳量測,這是目前市場上最快的熱傳測試系統(圖三)。同時,它也是能夠最正確擷取LED暫態反應的系統,能以0.01℃的解析度,擷取1 μs (1 x 10-6 秒)後的數據。這意味著,能夠盡早取得LED的熱反應,因此能掌握LED封裝內重要結構特性對內部熱源的影響,例如,晶粒黏著(die attach)在短時間內的熱阻值。

圖3
圖3:T3Ster ─ 明導國際的熱暫態測試器

T3Ster後處理軟體可完全支援接面至外殼熱阻量測的JESD51-14標準,能直接從量測取得溫度對時間的曲線,並將其作為「結構功能」(“structure functions”)(如JESD51-14附件A中所述),然後自動找出接面到外殼的熱阻值。

圖四的圖形顯示出在測試配置中,從晶粒通過封裝組件到散熱板的熱流路徑中的所有熱阻。兩種量測(在封裝外殼表面採用兩種不同品質的熱介面)的累積結構功能偏差組成了JESD51-14方法論的一部分。

圖4
圖4:所示圖形為測試中從晶粒通過結構到散熱板的熱流路徑的所有熱阻值大小

正確進行LED特徵化是一項重大挑戰,因為LED的效率會嚴重受到接面溫度的影響。這對LED供應商與SSL設計人員來說,都是尚待克服的問題。因此,LED的光輸出、接面溫度與功率消耗,都必須在量測前先達到穩定。所以,用來擷取冷卻曲線的靜態量測方法是能夠正確進行LED特徵化的唯一方法。

正確地計算光輸出

計算熱指標時,正確計算光輸出是其中的一項需求。LED的光輸出通常是在一個完整的球型中進行特徵化作業,採用偵測器來量測LED的總輻射功率、光通量與其它的光輸出特性。

待測LED必須黏著在具溫度控制的散熱板上,以確保量測到的LED光輸出與散失不會改變。透過這樣的方式,LED的發光以及其他的光輸出特性與熱阻,都能以一致的方式同時被量測。如果量測是在不同的溫度條件下進行,亦能定義出溫度對能源轉換效率和光通量等特性的相互關係。

明導國際的MicReD TERALED是遵循CIE 127:2007規範的總光通量量測系統,並具有溫度控制功能(圖五)。若與T3Ster搭配使用,TERALED是一套完備的LED工作站,可為HB LED和LED組件進行獨立的熱傳與輻射/光度特徵化作業。完全自動化的量測可實現非常快速的操作,舉例來說,待測LED能在2小時內,完成約100個操作點(結合順向電流與溫度)的特性描述。

圖5
圖5:TERALED是遵循CIE 127:2007規範的總光通量量測系統,並具有溫度控制功能

標準化工作仍待推動

我們正積極透過國際標準與技術委員會,推動LED熱傳特徵化的標準化工作[4],但是截至目前,尚未有公開描述應如何最妥善地將熱與光學測試結合在一起,以產生正確LED熱傳與光輸出指標的標準。業界正迫切需要這樣的標準,同時,隨著LED半導體與封裝技術的持續演進,錯誤計算功率轉換為光源的影響將日益嚴重,因此對於測試標準的需求將更為急切。

LED熱量測的商業效益

能從T3Ster獲得準確的暫態量測數據的主要效益之一是,像是晶粒黏著熱阻等重要的熱介面資訊能夠予以數量化。量測可幫助製造商決定最佳的製程條件、縮短晶粒黏著的硬化時間(cure time),並加速元件量產的時程。

T3Ster也能用來對單顆LED,LED串與陣列進行大量(高處理能力)的可靠度測試,以檢查由於環境溫度升高(如LM80使用壽命測試)造成的顯著效能衰退,或是由於高濕度與升、降溫週期造成的晶粒脫離問題[5](圖六)。空隙會使晶粒黏著的熱阻升高,導致接面溫度的大幅升高,並進一步加速老化(aging)。元件的使用壽命可透過在大量生產前先得知晶粒黏著的衰退程度來取得確認。

圖6
圖6:破損的晶粒黏著與所導致的結構功能差異[5]。

在生產過程中,T3Ster可用來校正直排式晶粒黏著測試設備,此設備係用來偵測生產過程中未能通過的晶粒黏著熱阻值(放行/不放行測試)。製程條件變異對產品熱效能的效應能被檢查出來,並將註銷庫存與丟棄瑕疵產品的顯著成本降至最低。

在量產階段,具高處理能力的量測能讓T3Ster被用來測試生產批量的元件樣本,以確保有問題的元件不會被銷售到市場。光是這項功能就能每年為製造商節省可能因產品召回而導致的數百萬美元成本損失。

圖7
圖7:比較好與壞的LED晶粒黏著,可作為設定放行/不放行測試限制的參考。左:量測到的暫態資料。右:可證明熱阻升高會造成不良晶粒黏著品質的結構功能。

被退回的元件也能夠利用T3Ster進行測試與結構性的分析。透過此方式獲得的故障資訊,由於可作為生產的有效參考,因此能將未來的保固成本降至最低。同樣地,可對產品進行完整測試,讓LED供應商充分掌握競爭對手的技術進展。

讓供應鏈更為完整

如果要為特定應用選擇適當的LED,正確的熱指標非常重要。熱指標也會用在設計初期的尺寸決定計算中,以作為選用冷卻方案的參考。

SSL設計人員需要正確的熱傳模型,以為產品進行最佳化的熱傳設計,這些可透過採用從JESD51-14接面至外殼熱阻量測方法開發出來的結構功能,直接量測取得。當設計人員同時使用T3Ster 和TERALED時,他們可確保量測到的熱傳資料可正確反映實際的LED熱阻值。

過去,當需要使用正確的熱傳模型來設計時,封裝的詳細熱傳模型得包括所有的重要內部幾何、材料特性。現在,以量測為基礎的熱傳模式,便可免除了這些需求。

圖8
圖8:T3Ster和TERALED 可為LED測試提供完整的解決方案[4]

若仍需要這些資訊,舉例來說,想要呈現LED光機時,能利用T3Ster來驗證這些細部模型。設計人員能在不同的溫度環境中量測實際元件,演練從接面到週遭環境的不同熱流路徑,並與細部模型在相同環境中模擬的結構功能反應相互比較。這能有助於找出模型結構中的任何錯誤,並調整模型中的厚度與材料特性,以確保取得接近完美的模型準確性。

總結

根據最新JEDEC標準化技術開發的正確暫態熱傳量測,會對LED設計、試產、以及量產產生深遠影響。運用JEDEC標準靜態測試方法,並遵循JESD51-14標準來進行暫態熱傳量測,可帶來前所未有的準確度。這些更高的標準,將有助於增加客戶信心與市場佔有率。

作者:Andras Poppe,SDD MAD MicReD總監,Mentor Graphics公司

參考文獻

1. “Lighting the Way: Perspectives on the Global Lighting Market,” McKinsey & Company, July 2011.

2. Jamie Fox, “The World Market for LEDs 2011 Edition,” IMS Research, 2011.

3. JESD51-14 “Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow through a Single Path,” November 2010, http://www.jedec.org/sites/default/files/docs/JESD51-14_1.pdf.

4. Andras Poppe, Gabor Farkas, Gabor Molnar, Balazs Katona, Tamas Temesvolgyi, and Jimmy-Weikun He, “Emerging standard for thermal testing of power LEDs and its possible implementation,” SPIE Proceedings 7784, 778414 (2010); doi:10.1117/12.864054.

5. Jianzheng Hu, Lianqiao Yang, and Moo Whan Shin, “Mechanism and thermal effect of delamination in light-emitting diode packages,” Microelectronics Journal 38: 157–163 (2007), doi:10.1016/j.mejo.2006.08.001.

圖說

圖1:EU已規定,2011~2012年生產的新車必須使用LED作為晝行燈

圖2:未來四年高亮度LED市場將快速成長

圖3:T3Ster ─ 明導國際的熱暫態測試器

圖4:所示圖形為測試中從晶粒通過結構到散熱板的熱流路徑的所有熱阻值大小

圖5:TERALED是遵循CIE 127:2007規範的總光通量量測系統,並具有溫度控制功能

圖6:破損的晶粒黏著與所導致的結構功能差異[5]。

圖7:比較好與壞的LED晶粒黏著,可作為設定放行/不放行測試限制的參考。左:量測到的暫態資料。右:可證明熱阻升高會造成不良晶粒黏著品質的結構功能。

圖8:T3Ster和TERALED 可為LED測試提供完整的解決方案[4]




想要免費接收更多的技術設計資訊嗎?

馬上訂閱《電子技術設計》郵件速遞,透過郵箱輕鬆接收最新的設計理念和產品新聞。

為確保您的資訊安全,請輸入右方顯示的代碼.

啟動您的訂閱申請

我們已給您的註冊郵箱發送了確認信,請點擊信中的連結啟動您的訂閱申請。

這將有助於我們很好地保護您的個人隱私同時確保您能成功接收郵件。


添加新評論
遊客 (您目前以遊客身份發表,請 登入 | 註冊)
*驗證碼:

新聞 | 產品 | 設計實例