Sustainable Energy 可持续能源, 2012, 2, 1-7 http://dx.doi.org/10.12677/se.2012.21001 Published Online January 2012 (http://www.hanspub.org/journal/se) T-Junction Measurement Development on LED Lighting Device Chen-I Chao1, Wei-Keng Lin1, Hong Paul Wang2, Chia- Hsi an g Wang1, Bo-Ruei Chen1 1Department of Engineering and System Science, National Tsing Hua University, Hsinchu 2Department of Environmental Engineering, National Cheng Kung University, Tainan Email: wklin@ess.nthu.edu.tw Received: Sep. 19th, 2011; revised: Oct. 12th, 2011; accepted: Oct. 25th, 2011. Abstract: Only 15% - 20% of high power LED’s power changes into light, and the rest becomes waste heat. In order to improve the result of development in high power LED, a measurement system is needed to prove it. Based on the requirement of JESD51-1, a constant environmental temperature is necessary. In this project, we designed a T. E. Cooler Test Board with Thermoelectric Cooling Module, which can be controlled in constant temperature by the T.E.C. Controller, letting the generated heat pass through the LED chip (die) to the T. E. Cooler Test Board without any difficulties. We also put a pressure on the LED by using thermal interface material between LED and T. E. Cooler Test Board when we measure the LED sample. TJ0 is the initial temperature before heater power is applied; TSP (Tempe- rature-Sensitive Parameter) is the voltage drop across a forward biased diode, which is the difference between VF0 and VFSS. VF0 is the initial voltage with measurement current, and VFSS is the voltage in measurement current after high power is removed; K factor is a constant parameter in the same LED. We can use the relationship between TSP and K factor to find out the changes in temperature ∆T. Having these three different parameters helps us to calculate the junction temperature. Keywords: LED; Junction Temperature; Thermoelectric Cooling Module LED 接端温度量测系统之开发 赵珍谊 1,林唯耕 1,王鸿博 2,王嘉祥 1,陈柏睿 1 1台湾清华大学工程与系统科学系,新竹 2台湾成功大学环境工程学系,台南 Email: wklin@ess.nthu.edu.tw 收稿日期:2011年9月19日;修回日期:2011年10 月12 日;录用日期:2011 年10月25 日 摘 要:目前高功率 LED的发光效率约是 15%~20%,约 80%~85%转变成热能,愈高功率的 LED产生热能也 愈多。因此,在封装设计上,解决散热问题才是根本之道。依据 JESD51-1 要求,必须维持环境温度,本实验设 计一个 T.E.C.控制器用来控制与维持致冷芯片保持恒温状态的T. E. Cooler 测试平台,让LED 发光产生的热量能 透过 T. E. Cooler测试平台移出,将LED Sample固定并施压,并使用本实验室团队自行开发之热接口材料进行 试验。Ta 为进行 TJ 量测时T. E. Cooler测试平台所维持的温度;温度敏感参数(TSP)乃是对 LED 施加量测电流 IM 时之顺向电压值变化;K系数是对 LED 施加量测电流 IM 时所对应之顺向电压与温度之关系,即为呈线性关 系区域内的V–T 曲线斜率倒数;透过上述关系,可求取接点温度之温差值∆T,再配合初始温度 Ta即可换算出 接点温度 TJ。 关键词:发光二极管;接点温度;致冷芯片 Copyright © 2012 Hanspub 1 LED接端温度量测系统之开发 Copyright © 2012 Hanspub 2 1. 引言 目前 LED的发光效率大约是15%~20%,约 80% ~85%转变成热能,愈高功率的 LED 产生热能也愈多。 若是 LED 无法有效排热,热累积将使 LED操作之接 点温度上升,导致发光效率降低及发光波长变短,寿 命也随之减少;接点温度每上升约摄氏 10 度,组件 寿命将减少约1/2,相当于减少15,000~25,000 小时的 使用时间。因此,在封装设计上,解决散热问题才是 根本之道,而 LED 照明系统研发结果之好坏终究还 是需得通过测量系统之验证,因此建立一个可靠度、 重复性、再现性都极强之TJ(LED 接口温度)测量系统 是非常重要之事。以下将继续讨论该实验之方法、设 备、量测系统与实验结果。 2. 实验方法 2.1. 确定热稳定状态 在量测接点温度TJ 时,热稳态应该是越长越好, 这表示 LED 长时间处于高功率操作环境下,高电流 产生的热与散热带走的热达到长时间的平衡,不会再 因为施加高电流加热而改变其内部热残留状态。决定 热稳定的最佳方法乃是利用不同的加热时间与记录 热阻值做比较,但此方法有执行上的难度。故依据 JEDEC51,采用对待测物LED 量测其加热电压VH 之 方式,在指定的条件和环境下,先记录第一点加热电 压(VH0sec),持续等待 300 秒后记录第二点加热电压 (VH300sec),若是此两个纪录点变化量小于容差值 VH300secVH0sec0.01VH0 sec ,则 再 待300 秒 后记录第三点加热电压(VH600 sec)并重复一次比较 动作,若比较动作仍与前一次相符,即达到热稳定状 态[1]。 2.2. K系数量测原理 由于高功率 LED 在测量时,担心会有外界的热 量传入影响测量,造成实验结果不准确,因此为了在 量测时维持恒温状态,依据 JESD51-1 要求,必须维 持环境温度,于是设计一个能利用致冷芯片维持温度 的测量平台。设计一透过结合致冷芯片制成的T. E. Cooler 测试平台来控制待测物 LED 下面的红铜块温 度Ta,具有均匀的温度和足够大的空间,让LED 在 操作时产生的热量能由 T. E. Cooler测试平台移出, T.E.C.控制器则设计用来控制维持致冷芯片达到恒温 状态,并确定 T. E. Cooler 测试平台底部散热鳍片之风 扇处于高功率运作中,用以带走致冷芯片热端产生之 热量。此方法的好处是致冷芯片控制速度够快,也能 在操作上更加简便。T. E. Cooler测试平台测视结构图 如图 1。 量测 K系数流程如下: 1) 利用 T.E.C.控制器设定T. E. Cooler测试平台 温度为初始温度TLo,在接近室温状态如 20˚C。 2) 对LED施加一量测电流 IM。 3) 测量LED 在施加量测电流 IM时对应之顺向 电压 VLo。 4) 逐渐提升 T. E. Cooler测试平台温度至高温THi 为80˚C。 5) 待其达成热稳定状态。 6) 测量LED 在施加量测电流 IM时对应之顺向 电压 VHi。 7) K 系数即可以从下式计算得到: Hi Lo Hi Lo TT KVV (E2-1) 由图 2可得知 K系数是量测电流 IM 所对应之顺 向电压差与 LED 温度差的关系,即为呈线性关系区 域内的 V-T 曲线斜率。给予的量测电流 IM 为不会让 LED 发热的定电流,故限制为1 mA。量测温度范围 至少要大于50 ˚C[2]。 2.3. 接点温度 TJ 的量测原理 利用对待测物 LED 施加不同电流,藉由施加测 Figure 1. T. E. Cooler’s system structure schematic diagram 图1. T. E. Cooler测试平台结构示意图 LED接端温度量测系统之开发 Figure 2. V-T’s Slope of the curve 图2. V-T 斜率曲线 量电流 IM 撷取之电压关系 TSP(温度敏感参数)与接 点温度之温升关系∆TJ 来确定最终之接点温度TJ。量 测电路简图参照图3。 量测接点温度TJ 流程如下: 1) 利用 T.E.C.控制器设定T. E. Cooler测试平台 温度,用以持续控制环境温度。 2) 对LED施加一量测电流 IM。 3) 待其达成热稳定状态。 4) 测量LED 在施加量测电流 IM时对应之电压 VF0。 5) 将供应 LED电流改成输入加热电流IH,用 以 取代测量电流IM。 6) 待其达成热稳定状态。 7) 测量 LED 在施加加热电流 IH 时对应之电压 VH。 8) 将供应 LED电流快速切换成测量电流 IM,用 以取代加热电流IH 。 9) 测量LED 在施加量测电流 IM时对应之电压 VFSS。 10) 对LED 施加一测量电流 IM 所撷取之电压差 ΔVF 由下式计算得到: VFVF0 VFSS (E3-1) 11) 利用公式(E3-1) 与(E3-2)式,推算出 LED 之 接点温度差 ΔTJ: TJ KVF (E3-2) 12) LED之接点温度差 ΔTJ即为接点温度TJ 与 T. E. Cooler 测试平台温度 Ta之差值: TJTJ Ta (E3-3) Ta 为T. E. Cooler测试平台控制下之红铜块温度,利 用致冷芯片可以很简单的定温控制量测。量测电流 IM 目的在驱动 LED 通电得以撷取其对应之电压值,并 不是为了要让LED 产生自发热,故限制为1 mA,而 加热电流 IH须参照待测物 LED 本身之条件去限制, 供应之电流若是太高会造成待测物LED 烧毁,表1 表示本实验限制的供应LED 电流规格。藉由测量对 应出来之电压增加量 ΔVF去换算成接点温度之温差 ΔTJ 来确定接点温度。量测程序之波形如图4所示。 Figure 3. Measurement circuit diagram 图3. 量测电路简图 Figure 4. Waveform measurement procedures 图4. 量测程序之波形图 Copyright © 2012 Hanspub 3 LED接端温度量测系统之开发 T LED 规格 电压 able 1. Supplies of LED’s current specifications 表1. 供应LED 电流规格 设定电流 约略 1 W 350 mA 3.3 V~4.0 V 3 W 700 mA 3.8 V~4.5 V . 实验设备与量测系统 TJ 需要使用具有强大 资料 成 的一种移 功率,使温度快速的达到操作温度,并且稳定的维持 3 由于量测 LED 之接点温度 撷取与稳定的电源供应之仪器如图 5,搭配具有 量测与监控功能,利用VisualBasic 6.0程序作为实验 系统整合与控制用,精准监控电源供应器所输出之电 压和电流值,把实际量测到之数据快速记录量测结果 回传至计算机,并将所撷取之数据加以分析计算,设 计出一套具有资料撷取、分析、判断、决策等完整且 庞大之量测系统,精准监控电源供应器输出的电压和 电流值,并将实际量测到之数据回传至计算机,快速 记录量测结果。图 6为利用美商 NI 仪器之电源供应 适配卡与电压撷取适配卡来量测LED 电路简图。 图7为致冷芯片结构示意图是一种半导体所组 热装置,由许多N型和 P型半导体之材料相 互排列而成,N与P之间以铜、铝或其它金属导体相 连接而成一完整线路,然后上下端的部份用陶瓷片将 其覆盖,陶瓷片必须完全绝缘且导热良好。其作动原 理是透过 DC直流电提供电子流所需之能量,接上电 源后电子由负极出发,经过 P型半导体于此吸收冷端 之热量,再来经 N型半导体的热端将热量释出,每经 过一个 NP 模块即会有热量由冷端被送往热端造成温 差,而各接面之间,需要涂上散热膏相接以利热量之 传导[3]。致冷芯片具有在不同的输入电功率与冷热端 温差,会有不同的移热能力的特性,因此在实验过程 中要准确对致冷芯片进行操作,就必须精确的控制几 项参数,包括输入致冷芯片的电功率Win、致冷芯片 热端温度 Thot、及致冷芯片冷端温度Tcold,故本实 验利用一控制器名为 T.E.C.控制器如图 8,以控制器 连接致冷芯片便可以在实验过程中对于致冷芯片之 性能做出准确的控制。另外,此控制器还有一项重要 的功能,便是对于致冷芯片冷端或热端维持设定的操 作温度,在温度表头设定好欲控制之温度后,经过讯 号回馈 T.E.C.控制器便会自动调整输入致冷芯片的电 Figure 5. NI Instruments and PXI power controllers 图5. 美商NI 仪器与 PXI 电源控制器 Figure 6. Using NI Instruments and PXI power controllers to Measuring LED’s circuit diagram 图6. 利用美商 NI 仪器之电源供应适配卡与电压撷取适配卡来量 测LED电路简图 Figure 7. Structure of cooling module 图7. 致冷芯片结构示意图 Copyright © 2012 Hanspub 4 LED接端温度量测系统之开发 Figure 8. T. E. Controller 图8. T. E. Controller 恒温。不同于使用恒温水槽来维持操作温度之方式, 可使实验时间缩短许多且较精确。 本实验室着重于完成设计及组装LED 照明系统 之整合技术,依据 JESD51-1 之要求维持环境温度, 于是设计一个能利用致冷芯片维持温度的 T. E. Cooler测试平台。致冷芯片上下两端用铜块相邻,上 铜块为 LED 测 匀温度与足 大的空间进行量测,让LED 在操作时产生的热量 散热鳍片带走; 此上 机构 去推算 LED 在通过高功率电流 后有 试平台面,能使之具有均 够 透过 T. E. Cooler测试平台移出;下铜块则与散热鳍片 紧密接合,让致冷芯片热端的热经由 下两块铜块均插有热电偶将温度讯号传送至 T.E.C.控制器,而上铜块所连接的热电偶能将讯号回 馈至 T.E.C.控制器表头,T.E.C.控制器会自动调整输入 致冷芯片之电功率,由于其表头具有设定温度之功 能,故可使上铜块达到吾人欲设定之温度 Ta,T. E. Cooler测试平台温度即为上铜块之温度。本系统仪器 柜配有室内温度表头,若欲设定之 T. E. Cooler 测试平 台温度小于室内温度(Ta < Tambient),则上铜块即为 致冷芯片的冷端;若欲设定之T. E. Cooler测试平台温 度大于室内温度(Ta > Tambient),则上铜块即为致冷 芯片的热端。而T. E. Cooler测试平台底部之散热鳍片 的风扇需处于高功率运作中,以便带走致冷芯片热端 产生之热量。配合 XYZ轴齿轮齿条式平台使用如图 9,将量测探针固定于延伸板上的滑轨,使其能因应 不同的 LED 正负极位置而改变,并制作一下压装置 能将 LED与T. E. Cooler 测试平台之底板紧密结合。 本论文研究之目的在量测接点温度,藉由改变T. E. Cooler 测试平台温度当作不同之环境温度,并试着 去提高其量测之准确度,故藉由采购之XYZ 轴齿轮 齿条式平台与本实验室自行开发之治具与热接口材 料,探讨是否因为施加压力或使用热接口材料造成量 测接点温度上的差异。利用本实验室团队伙伴开发的 压阻式压力传感器去量测夹具施加于LED 上之压力, 该压力传感器为利用导电高分子材料建构一三明治 ,上、下两层为薄膜电极,中间夹层为可变电阻 层,当压力增加时可变电阻层遭到压缩,电阻下降, 相反释放压力时可变电阻层恢复原状,电阻升高,利 用该原理对 LED 夹具进行压力量测如图10,初步估 计约为 13.9 kgf[4]。 本实验研究之目的在量测LED 之接点温度 TJ, 藉由本实验室添购之美商NI 仪器与应用 VB6程序软 件设计出的一量测监控系统,配合可控制致冷芯片定 温功能之 T.E.C.控制器,以及吾人设计之 T. E. Cooler 测试平台,透过先提高T. E. Cooler测试平台之底板温 度求取 K系数,并利用顺向电压法通以量测电流 IM 去撷取电压值,经过加热电流 IH在LED 内部残留余 热,产生一温度梯度 何变化,整套量测LED 接点温度TJ 之设备系统 如图 11。 Figure 9. The platform of XYZ-axis rack and pinion 图9. 使用XYZ 轴齿轮齿条式平台之 T. E. Cooler测试平台 Figure 10. Pressure measur ements for LED fixtures 图10. 对LED夹具进行压力量测 Copyright © 2012 Hanspub 5 LED接端温度量测系统之开发 Figure 11. The complete system equipments for measuring TJ 图11. 整套量测接点温度 TJ 之设备系统 4. 实验结果 本论文实验分别对 1W两组及 3W一组 LED 进行 实验,量测其 K系数与分别在20˚C、25˚C、30˚C、 35˚C、40˚C的T. E. Cooler测试平台温度时之接点温 度。操作此次实验时环境温度为26.5˚C。 4.1. 测量 LED 之K系数 LED 1W 第一组:LTC-1WEMCOWNL-D1 T. E. Cooler 测试平台温度(˚C) 对应之顺向电压(V) TLo 20 VLo 2.517243 30 2.501883 40 2.487974 50 2.474265 60 2. 460373 70 2.446390 VHi 2.432737 0.0065 THi 80 K2(II)系数(˚C/V) 71 Figure 12. The first sample of LED (1W) 图12. 第一组 LED Sample (1W) LED 1W 第二组 AOC-112YGxA T. E. Cooler测试平台温度()℃对应之顺向电压(V) TLo 20 VLo 2.504605 30 2.491351 40 2.479092 50 2.466590 60 2.453621 70 2.440637 THi 80 VHi 2.426984 K2(II)系数(/V)℃ 772.9952 Fig sample of LED (2 D Sample (1W) LED 3W 第三组:HIS41 ure 13. The second 图13. 第二组 LE W) T. E. Cooler测试平台温度(˚C)对应之顺向电压(V) TLo 20 VLo 2.486545 30 2.474480 40 2.463225 50 2.451748 60 2.440224 70 2.428550 THi 80 VHi 2.416642 K2(II)系数(˚C/V) 858.3335 F sample of LED (3W 图14. 第三组 LED Sample (3W) igure 14. The third) Copyright © 2012 Hanspub 6 LED接端温度量测系统之开发 Copyright © 2012 Hanspub 7 .2. 求取 LED 之K接点温度 LED 1W 第一组:LTC-1WEMCOWNL-D1 4 T.E.C 测试平台温度(˚C) TJ接点温度(˚C) 20˚C 65.76˚C 25˚C 70.43˚C 30˚C 74.86˚C 35˚C 78.34˚C 40˚C 84.51˚C LED 1W 第二组:AOC-112YGxA T.E.C 测C) 试平台温度(˚C) TJ接点温度(˚ 20 ˚C ˚C 57.92 25˚C 30˚C 63.70˚C 68.59˚C 35˚C 72.12˚C 40˚C 80.01˚C LED 3W 第三组:HIS41 T.E.C 测试平台温度(˚C) TJ接℃ 点温度() 20˚C 62.79˚C 25˚C 69.06˚C 30˚C 74.41˚C 35˚C 79.36˚C 40 2˚C ˚C 83.7 5. 结果与讨论 在量测接点温度时,热稳定状 越长越 好,这表示 长时间处于高功率环境下, 电流产生的热与散热带走的热达到长时间的平衡, 不会再因为施加高电流加热而改变其内部热残留状 态。维持在 透过 致冷芯片维 E. Cooler测试平台之 并确定实 验时 T. E. C测试平台底部的风扇 作,以带 走致冷芯片 产生之热量,若底部以安全电 压使用,致 冷端可能无法达到 希望之 。且在进行LED 接点温度 TJ 量测时,若不将 控系统,在利用致冷芯片控制不同的环境 所设 平台上,提供量测电流与撷取电压的操 作, fnces) 阻量测标准草案. LED照明标准及质量研发联盟建议 标准规范 003号, 2008. [2] Measurement lectrical Test Method (mi- [3] 张文铧. 以热电致冷器改善热管性能量测平台之不稳定性 [D]. 国立清华大学, 2010: 19-24. 儒. 以ALL-POLYMER 材料 国机械工程学会第二十七届 态应该是 LED 的操作 高 而在量测时室内温度须 恒温的状态, 持T. 温度, ooler 有在运 热端 风扇未 冷芯片我们所 温全 度LED 湾热管理协会年会暨技术成果发表会, 2011: B-8. Sample 固定,由胶带黏贴容易造成 LED浮起,使得 LED 与T. E. Cooler 测试平台间产生空隙,当 LED工 作在高功率环境下,空气形成热阻造成在 P-N 接面残 留大量废热,影响接点温度的量测结果,故需配合热 接口材料之使用能有效的填补空隙,并由上方施加压 力固定使 LED 能紧密与 T. E. Cooler 测试平台结合。 6. 结论 高功率 LED 工作在较高之电流时,若是封装结 构无法有效排热,热累积将使LED 操作之接点温度 上升,导致发光效率降低及发光波长变短,寿命也随 之减少。透过自行撰写之Visual Basic 6.0 程序软件设 计之量测监 温度计之 以对于求取 LED 接触温度进行记录与分析,推 算出在不同的工作环境温度下,LED 通电发热使得接 触面会提高多少的温度,以利于未来对 LED 进行热 阻结构的建立时,建立一稳定的TJ(LED 接点温度) 测量系统之基础[5]。 7. 致谢 本论文为 NSC产学合作计划,由于 NSC的支持, 使本计划得以顺利进行,特此致上感谢之意。 参考文献 (Reere [1] LED 热 JEDEC Standard EIA/JESD51-1. Integrated Circuits Thermal Method—ESingle Se conductor Device), 1995. [4] 林唯耕, 王本诚, 洪思远, 吕学 制作压阻式压力传感器[A]. 中 国学术研讨会, 2010: DD04-014 [5] 林唯耕, 王鴻博, 王嘉祥. 封装参数对 TJ量测之影响[Z]. 台 |