大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理

目 錄

第一章 電壓法測量結(jié)溫

第一節(jié)電壓法測算結(jié)溫的理論依據(jù)

第二節(jié)K系數(shù)的測量

1. 測量K系數(shù)的原理

2. 關(guān)于K系數(shù)的說明

3. 測試電流大小對K系數(shù)的影響

4. K系數(shù)測量方法

5. 數(shù)據(jù)處理

6. 關(guān)于器件廠商提供K值的建議

7. K系數(shù)測量誤差問題

第三節(jié)利用K系數(shù)測算結(jié)溫

第二章 熱阻法測算結(jié)溫

第一節(jié)熱阻法測算結(jié)溫的基本原理

第二節(jié)熱阻法測結(jié)溫的問題

1. 為什么要用熱阻法測結(jié)溫

2. 熱阻參考點的選擇

3. 器件傳熱狀況的影響

4. 溫度的影響

5. 熱阻法測結(jié)溫參考點的正確選擇

第三章 其它測結(jié)溫方法簡介

前 言

關(guān)于 PN 結(jié)溫度的測量，以往在半導(dǎo)體器件應(yīng)用端測算結(jié)溫的大多是采用熱阻法，但這種方法對LED 器件是有局限性的，并且以往很多情況下被錯誤地應(yīng)用。應(yīng)用熱阻法的錯誤之處，以及其局限性，本人已在文獻【1】中有詳細闡述。本人認為應(yīng)該摒棄熱阻法。

現(xiàn)在出現(xiàn)了不少新的測結(jié)溫的方法，但其中一些方法也許并不能很好地反映結(jié)溫。比如紅外成像法，理論上講這只是測量器件表面或芯片表面的溫度，不可能測量到實際 PN 結(jié)處的溫度。光譜法則只是個別專業(yè)測試機構(gòu)能夠進行，儀器昂貴，不適于器件使用者日常工作。

實際上，無論從專業(yè)測量，還是業(yè)余測量，最簡便易行、最準確的、最基礎(chǔ)的，還是電壓法測算結(jié)溫。熱阻法其實是在電壓法基礎(chǔ)上衍生而來的。由于現(xiàn)在測量顯示精度達 1mV 的儀表很便宜，器件使用者完全沒有必要采用熱阻法來測算結(jié)溫。

本文主要是介紹電壓法測算結(jié)溫。也介紹了熱阻法測算結(jié)溫，并提出熱阻法存在的問題。最后簡單介紹了一些其它測結(jié)溫的方法。

本文介紹的電壓法測算結(jié)溫的方法，是從一般工程應(yīng)用的角度來講。主要是為一般的器件廠商和器件使用者提供自己測試的方法。因此所述的方法中，使用的一些儀器不能與專業(yè)的儀器設(shè)備比較，但精度和準確性不用擔(dān)心。這方面只要你懂得了物理原理就明白了。關(guān)鍵還是看具體的操作者對測試機構(gòu)的設(shè)計和儀表的選擇，以及操作中的精心程度。

本文雖然主要針對 LED 方面來講，但也可以擴展到其它半導(dǎo)體器件的結(jié)溫測量方面。因為 LED的 PN 結(jié)和其它半導(dǎo)體器件的 PN 結(jié)，在原理上是相同的。

第一章 電壓法測量結(jié)溫

第一節(jié)電壓法測算結(jié)溫的理論依據(jù)

根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，理想 PN 結(jié)的正向電壓、電流及 PN 結(jié)溫度有如下關(guān)系【2】：

—（1）

式中：

U：PN 結(jié)電壓； I：電流；

T：結(jié)溫；k：玻爾茲曼常數(shù)

C：與芯片制造有關(guān)的參數(shù)；

Eg：禁帶寬度； q：電子電量

從公式（1）可以看到，對于一個成品的器件，電壓與溫度有關(guān)，且是線性關(guān)系。除去電流參數(shù)外，再有的其它參數(shù)都是常數(shù)。所以，當(dāng)固定某個電流值后（即電流也為常數(shù)），電壓就只與溫度呈線性關(guān)系。

由此，我們就可以通過測量電壓來推算結(jié)溫。并且可以將公式（1）的物理計算轉(zhuǎn)化為純數(shù)學(xué)計算。即電壓與結(jié)溫的數(shù)值關(guān)系可以用一個線性方程式來表達。只要得到這條直線的斜率，通過測量某個已知結(jié)溫下的電壓和熱穩(wěn)態(tài)下的電壓，就可以得到該熱穩(wěn)定溫度下的結(jié)溫。

在笛卡爾直角坐標系中，以溫度為橫坐標（自變量），電壓為縱坐標（函數(shù)），根據(jù)線性方程式，直線斜率的計算方式為：

—（2）

式中：

Us——較高結(jié)溫 Tj 時的正向電壓值

Ua——較低結(jié)溫 Ta 時的正向電壓值

K——PN 結(jié)電壓溫度系數(shù)（直線的斜率）

這樣，較高結(jié)溫 Tj 可以用如下公式來計算：

—（3）

公式（3）就是我們用來測算結(jié)溫的依據(jù)。實際在測算結(jié)溫的應(yīng)用中，Ta 往往是采用環(huán)境溫度，Tj 則是熱穩(wěn)態(tài)時的結(jié)溫。

由公式（3）可知，要測算結(jié)溫，就需先得知PN 結(jié)的電壓溫度系數(shù)K。將在第二節(jié)中講述如何測量K系數(shù)及相關(guān)問題。

從公式（1）可以看到，對于成品器件，公式中有三個變量：電壓、電流和溫度。在講公式（2）時，我們設(shè)了個前提條件，即電流是固定的某個值。似乎K 系數(shù)與電流值有關(guān)。但是通過對實際產(chǎn)品的測試發(fā)現(xiàn)，不同電流下的K 系數(shù)值或曲線是相同的。這是個很關(guān)鍵的問題。正是有這樣的結(jié)果，我們在測算結(jié)溫時就可以方便了。K 系數(shù)與電流無關(guān)的現(xiàn)象，將在第二節(jié)中闡述。

注意，這里講的是測算結(jié)溫，而不是測量結(jié)溫。因為結(jié)溫是沒有辦法用溫度測量設(shè)備直接測量的，只能是測量一些相關(guān)參數(shù)后來計算。

第二節(jié)K 系數(shù)的測量

1. 測量 K 系數(shù)的原理

根據(jù)電壓與溫度的線性關(guān)系，在某個電流值下，只要測試 PN 結(jié)在任意兩個溫度點對應(yīng)的電壓，就可以根據(jù)公式（2）計算出斜率 K 值了。這就是測量、計算 K 系數(shù)的基本原理。

2. 關(guān)于 K 系數(shù)的說明

雖然理論上理想 PN 結(jié)的電壓與溫度是線性關(guān)系，但那是理論上的理想 PN 結(jié)的情況。實際情況并非如此！實際測得 LED 器件的電壓溫度關(guān)系不一定是很好的線性。這并不是測試誤差造成的，因為不同時間測試同一器件得到的結(jié)果是一樣的。根據(jù)本人對一些 LED 的測試結(jié)果及文獻【3】的報告和歐司朗的產(chǎn)品規(guī)格書，LED 的電壓溫度系數(shù)并不一定都是很好的線性關(guān)系。這需視具體產(chǎn)品而定。本人測試了幾款不同封裝、不同功率 LED 的電壓溫度系數(shù)，參見圖 1。

在圖 1 中，黑點表示實測數(shù)據(jù)點，黑色曲線是擬合曲線，紅色虛線是首尾相連的、用于參考的直線?？梢钥吹?，多數(shù) K 曲線是有些彎月形向下彎曲，大約在 70～80 度之間會出現(xiàn)拐點。拐點前后可以各自近似為直線。這兩條近似的直線斜率相差往往還是很明顯的。當(dāng)然也有一些 LED 的 K 曲線幾乎是直線型的。如圖 1 中最上面的兩條 K 線。

圖 2 是 OSRAM 一款 3535 型封裝 LED 的電壓溫度曲線?？梢钥吹?，也不是很好的直線，同樣是向下彎曲的曲線。圖中紅色虛線為本人所加的參考直線。同樣，在這條曲線上，在 20℃～120℃范圍內(nèi)，也可以 80℃為界，分別得到兩段符合較好的直線。

關(guān)于 K 系數(shù)曲線隨溫度升高發(fā)生彎曲、電壓減小趨勢變緩的現(xiàn)象，在文獻【3】、【4】中有所談及。本人的觀點是：由于 PN 結(jié)在合理的外電壓范圍內(nèi)勢壘區(qū)不可能完全消失（所謂合理的外加電壓范圍，是指外加電壓不應(yīng)該過而高導(dǎo)致器件燒毀），但外加正向電壓超過一定值、或溫度升高，勢壘區(qū)變窄的速度變緩，即結(jié)電壓下降趨勢變緩；再有內(nèi)阻隨溫度升高而變大導(dǎo)致其上電壓增大，兩者相消，因而 VF 隨溫度升高而減小的趨勢變緩。封裝體電阻及芯片上有關(guān)電極金屬等的電阻影響在溫度較低時影響較小。當(dāng)溫度高于某個值時，這些電阻的影響有所增大，從而導(dǎo)致電壓減小趨勢更加減緩。對于超過 70～80℃曲線變緩，不僅與寄生電阻有關(guān)，還與芯片尺寸、封裝結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

比如一款額定電流 60mA 的 2835 型白光 LED，在 20mA 和 60mA 測試時結(jié)果基本相同，并不受電流大小的影響。即寄生電阻在電流作用下產(chǎn)生的熱量沒有影響?？梢詤⒖磮D 7?？梢姡瑢?dǎo)致曲線彎曲的因素是多方面的。

鑒于實際 K 系數(shù)一般不是很好的直線，而是曲線，故建議以提供 K系數(shù)曲線的方式為好。相比只提供一個具體的 K 值，可以減少誤差。單一 K 值可能帶來很大的誤差而不具有使用意義。雖然在拐點前后可以近似為直線而得到兩個 K 值，但在實際應(yīng)用時卻存在困難。這方面請讀者自己思考。故不建議如此操作。

3. 測試電流大小對 K 系數(shù)的影響

在不少的文獻和標準中，在測試 K 值時都建議使用很小的電流，目的是減少電流產(chǎn)生的熱量帶來的影響。電流大，固然會產(chǎn)生熱量。但是，每次測試時，由于時間非常短，同樣的電流導(dǎo)致的溫升情況相同。即由電流導(dǎo)致額外的電壓、溫度變化量相同。因為我們需要的是兩點的數(shù)據(jù)相對值，而不是絕對值。在計算直線斜率時，通過兩點的電壓值、溫度值相減，可以完全消除這種額外的電壓、溫度變化量。同樣，測試儀表本身固有的誤差也會因相減而消除。

圖 3 是一款 2835 型 LED（額定電流 60mA）在不同電流下測試的 K 系數(shù)曲線。圖中的點是實測數(shù)據(jù)，曲線是擬合曲線。圖 4 是將兩條曲線重合后的狀況?？梢钥吹剿鼈兓局睾?。

還以看看 OSRAM 測試的曲線（見圖 2），可以看到，測試電流是 700mA。他也沒有采用小電流來測試。

圖 5 是文獻【3】的測試結(jié)果，不同電流（從 10mA～350mA）下測得的各電壓溫度曲線在 100℃以下 K 系數(shù)也基本上是相同（讀者可以利用一些圖形處理軟件截取某條曲線移動到其它曲線上觀察，可以看到基本上是重合的）。

至于其 100℃以上出現(xiàn)的問題，本人根據(jù)文獻【3】的內(nèi)容做如下推斷：

根據(jù)文獻【3】的測試方法，參看圖 6，其測試時電源和測電壓的導(dǎo)體與 LED 的接觸是機械壓接，這容易產(chǎn)生接觸電阻，該接觸電阻在較大的溫度變化下可能產(chǎn)生較大的偏差。并且電壓測試點距離 LED封裝體電極較遠，供電和測電壓系同一條導(dǎo)線，這不符合四線法要求，封裝體外部的電阻就會引入誤差。從圖 5 可以看到，并不是每個電流在較高溫度下得到的電壓結(jié)果都有大的提升。在 300mA 時，120℃測試的電壓明顯比其它電流下有嚴重異常，而 350mA 時電壓提升并不高。本人曾做過實驗，將 LED 加熱到 300℃，仍然發(fā)現(xiàn)電壓是單調(diào)下降的。由此，本人推斷，文獻【3】在較高溫度下電壓提升，可能與其測試機構(gòu)引入的寄生電阻有關(guān)。

本人的測試結(jié)果，在溫度高達 120℃時，也沒有發(fā)生文獻【3】所述的電壓異常上升的現(xiàn)象，參看圖 1。

從上面的實測例可以看到，測試電流大小對 K 系數(shù)圖線形狀基本沒有影響。影響的只是不同電流下的 K 系數(shù)曲線在縱坐標上的位置。或者說，K 系數(shù)圖線隨電流改變而上下平移。

測試電流的大小對 K 系數(shù)曲線沒有影響，這一點很重要！這對實際應(yīng)用 K 系數(shù)來測算結(jié)溫是很有利的。因為，在任意電流下測得的 K 系數(shù)值或曲線，可以直接應(yīng)用到實際的任意電流工作狀態(tài)測算結(jié)溫。這樣，在測試器件實際的工作狀態(tài)下的結(jié)溫，直接測量相關(guān)溫度點的電壓即可，不必通過減小電流到測量 K 值時的小電流下測電壓。實際工作情況下，比如一個現(xiàn)成的燈具，其原配的電源是沒有可能瞬間減小電流到測 K 值時的電流水平的。因此，以往的文獻中介紹的利用 K 系數(shù)測算結(jié)溫時通過改變電流測電壓的方法是既不實用、也存在誤差的。從本文所述的內(nèi)容看，完全沒有必要這樣做。

4. K 系數(shù)測量方法

（1）測試注意事項

測量半導(dǎo)體器件的電壓溫度系數(shù)，應(yīng)該采用四線方式，即兩條線用來給 LED 供電，另外兩條線用來接入高精度數(shù)字電壓表。并且接電壓表的線應(yīng)該盡可能靠近器件封裝電極，這么做的目的是盡可能減小電流在導(dǎo)線電阻上的壓降對測量 PN 結(jié)電壓的影響。尤其是溫度變化范圍較大時，導(dǎo)線的電阻率往往是溫度的函數(shù)。這樣，同樣的導(dǎo)線，在不同溫度下的電阻不同，就會引入電壓誤差。同時，測電壓的導(dǎo)線應(yīng)該采用較細的導(dǎo)線，以避免導(dǎo)線的熱傳導(dǎo)對器件溫度的影響。同時要注意，測電壓的導(dǎo)線一定要采用焊接方式，而不要采用機械壓接的方式，以避免接觸電阻的影響。采用機械壓接時，由于接觸面不平整等因素，在較高溫度時發(fā)生形變導(dǎo)致接觸電阻增大，從而使得測得的電壓偏離，通常表現(xiàn)就是電壓偏高，即高溫段曲線異常上翹。

根據(jù)經(jīng)驗，LED 的電壓溫度系數(shù)一般在－1.4 ～ －2.6mV/℃之間，對工程應(yīng)用來講，電壓表的顯示精度應(yīng)達到毫伏級。對于 4 位半數(shù)字萬用表而言，在 20V 檔位，測量 10V 以下是可以顯示到 1mV的，如此其誤差就是 0.5mV（如 3.0005V 顯示為 3.001V，3.0002V 顯示為 3.000V）。（這樣即使 0.5mV的誤差，針對 K 值為－1.4 mV/℃而言，帶來的最大溫度誤差也就是約 0.4℃。）當(dāng)然，能有更高精度的電壓表是更好了。

測試中可能在某些測試點出現(xiàn)偶爾誤差，因此，建議測試時應(yīng)該多測試一些溫度點。一般在 20～140 度范圍內(nèi)（業(yè)余條件下，可能制造低溫環(huán)境不方便，低端溫度可以選為 30～40℃），每隔 20 度選一個測試點。實際測試時，溫度值不一定非要達到某個整數(shù)值及很精確的間隔。因為實際使用算結(jié)溫時并不需要這些實際測試到的數(shù)值，而獲取 K 值或曲線，是要對這些測試的數(shù)據(jù)做處理的。數(shù)據(jù)處理方法將在下面講述。

本文不是研究制造專業(yè)的、商品化的測試儀器的，因此介紹的測試機構(gòu)相對專業(yè)的儀器而言看起來是簡陋的。但是如果明白了測試的原理，簡陋的機構(gòu)也是能夠保證測試要求的。所謂“簡陋”，是指你自己構(gòu)建的測試機構(gòu)沒有必要搞什么美觀的儀器外觀、或是如何的規(guī)整，拼拼湊湊能達到目的即可。本文的目的是讓一般的器件生產(chǎn)商和器件使用者能夠利用自己的條件來自行測試 K 系數(shù)并用以測算實際使用中器件的結(jié)溫。

（2）具體測試 K 系數(shù)的方法

① 準備一個恒溫裝置，可以采用商品恒溫箱。如果沒有，可以采用一個有較好控溫裝置的加熱平臺，然后用一個殼體罩住器件，如此構(gòu)成一個簡易恒溫腔。注意殼體最好采用較厚且導(dǎo)熱差的材料，且腔體要盡量大一些，目的是盡量避免外界溫度的影響，保證腔體內(nèi)能夠保持恒溫。可參看圖 7。

② 將器件正負電極分別焊好兩條導(dǎo)線，一對用于給器件供電，另一對用于連接電壓表。然后將器件置于恒溫室。（尤其需注意，對于小功率或體積較小的器件，應(yīng)該采用較細的導(dǎo)線。）參看圖 8，紅色和藍色導(dǎo)線用于接電源，橙色和綠色用于接電壓表。

③ 將一個熱電偶固定于器件上，用于測量器件的溫度。當(dāng)加熱到一定溫度并恒溫后，此時 PN 結(jié)的溫度也就是此溫度。溫度計精度需達到 0.1℃。參看圖 8，黃色線表示熱電偶。

注意溫度探頭盡可能遠離加熱平臺。一般可接觸于 LED 發(fā)光表面，或接觸于距離 LED 熱沉最近的電極或 PCB 銅箔上。

④ 啟動加熱平臺開始加熱并設(shè)定好恒溫值。

注意，加熱平臺的設(shè)定溫度并不是器件上的溫度。器件溫度應(yīng)以設(shè)置在保溫腔體內(nèi)在器件上的溫度探頭測試的溫度為準。

⑤ 當(dāng)著在某個測試溫度點上達到恒溫后（一般在 15 分鐘內(nèi)溫度變化不超過 0.5℃），給器件以恒流方式供電并測量器件端電壓的初始瞬間最大值。之后停止供電，開始升溫到下一個測溫點再進行測試。

小技巧：由于器件上電壓的建立及儀器對被測信號的響應(yīng)有一定的時間，并且這個時間比較短，初始時電壓顯示呈現(xiàn)先上升并在很短的時間內(nèi)開始下降，要讀取最大值往往不容易，很容易錯過讀數(shù)。建議用攝像裝置對儀表顯示進行攝像，這樣在錯過讀數(shù)時可以回看錄像來獲取電壓最大值。

記錄好各個測試溫度下對應(yīng)的電壓值。 注意；如果一次讀取電壓不成功，要停止供電足夠長的時間，以使 PN 結(jié)溫度恢復(fù)到恒溫值，然后再重新測試。切不可連續(xù)操作。

5. 數(shù)據(jù)處理

對測試完成后的數(shù)據(jù)要進行處理和分析。將數(shù)據(jù)擬合成平滑的圖線。擬合曲線時，應(yīng)注意實測數(shù)據(jù)應(yīng)均勻分布于擬合曲線的兩側(cè)（還需注意排除個別偏差大的數(shù)據(jù)）。注意，不要采用如 AutoCAD軟件根據(jù)點坐標自動生成樣條曲線的做法。

對于擬合后的曲線，不要因為看似接近直線就隨意更改為直線。這樣可能導(dǎo)致很大的誤差。不過，對于有些 LED 的 K 系數(shù)特性，可以根據(jù)演算考察誤差后，如果在結(jié)溫在 0℃～140℃范圍內(nèi)誤差在 3℃以內(nèi)的，可以用直線來處理。

所測得的 K 系數(shù)曲線實際將是一種型號規(guī)格產(chǎn)品的典型特征，它并不代表該型產(chǎn)品中具體某個產(chǎn)品的實際參數(shù)。因為該曲線對同一規(guī)格的產(chǎn)品可以認為是一樣的，而具體的每個產(chǎn)品的 VF 值是有差異的。如果將每個產(chǎn)品都實測出 K 曲線的話，你會看到，曲線形狀相同，但在坐標系中所處的位置高低是不同的。即不同樣品在結(jié)溫相同時，它們的電壓可能是不同的。

例如圖 9 所示，實用產(chǎn)品的潛在的 K 曲線和測試樣品是相同的，但兩者的 VF 不同。比如在環(huán)境溫度為 30℃時測試實用產(chǎn)品的電壓值，和測試樣品在該溫度下的電壓是不同的。當(dāng)結(jié)溫在某個溫度下（如 100℃）恒定后，兩者的電壓仍然是不同的。但兩者在任意兩個溫度下的電壓差卻是相同的。

因此，在規(guī)格書中給出的 K 系數(shù)曲線的縱坐標用實測樣品的 VF 值來標識并沒有實際意義。因為在現(xiàn)實應(yīng)用中，圖 9 中“實用產(chǎn)品”的這條曲線在規(guī)格書中是不存在的，有的只是測試樣品的曲線。我們是要用測試樣品的曲線來計算結(jié)溫。

所以，縱坐標最好是采用“相對電壓”或“參考電壓”來標識?！跋鄬﹄妷骸笔侵缚v坐標標識的數(shù)值表明曲線上各點之間的電壓相對值。采用“相對電壓”的概念，圖 9 中兩條曲線實際就可以合并為一條曲線。圖 9 就可以表示為圖 10。注意比較圖 9 和圖 10 中縱坐標標識的數(shù)值差異。

當(dāng)然，對于“相對電壓”標識值的方式，并不見得僅采用圖9 到圖 10 這樣的變換方式，即將原來實測數(shù)據(jù) 2.9V 重新規(guī)定為0V 點。也可以類似圖 2 那樣，將 25℃（你也可以采用任意的溫度點）對應(yīng)的電壓值規(guī)定為縱軸 0V 點。不過這樣會導(dǎo)致縱坐標出現(xiàn)負值。

縱軸0V 點位的確定沒有強制和標準，以實際應(yīng)用方便為宜。

對于實測的上、下兩端溫度以外的部分，則可根據(jù)曲線的趨勢分別向外延伸。比如，實測時選擇的最低溫度是 30℃，最高溫度是 100℃，對于小于 30℃和大于 100℃的部分，則根據(jù)曲線的走向趨勢向外延伸。延伸部分可用虛線來表達。如圖 10 中，虛線部分不是實測得到的，而是根據(jù)實線部分的趨勢向外延伸的。

制作 K 線圖時，坐標刻度盡量劃分細些，方便用戶測算。尤其是縱坐標，由于電壓的變化以毫伏計，應(yīng)使縱坐標擴展盡量大一些，以使圖線顯得更加陡，以減小測量坐標讀數(shù)誤差。

6. 關(guān)于器件廠商提供 K 值的建議

建議半導(dǎo)體器件廠商應(yīng)該在規(guī)格書中給用戶提供器件的電壓溫度曲線，而不是單一的 K 值。

7. K 系數(shù)測量誤差問題

K 系數(shù)測量誤差主要來自兩個方面：一是器件結(jié)構(gòu)材料電阻；二是測試結(jié)構(gòu)引入的電阻；三是測試裝置的因素。下面分別來談。

（1）器件結(jié)構(gòu)材料電阻的影響

器件本身的電阻構(gòu)成主要有：P 型區(qū)、N 型區(qū)、PN 結(jié)區(qū)的電阻；器件上的電極材料電阻、芯片粘結(jié)材料電阻（對垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的芯片而言）、芯片到支架間的金屬引線電阻、支架體的電阻。

半導(dǎo)體材料的 P 區(qū)、N 區(qū)、PN 結(jié)電阻都是負溫度系數(shù)，這是我們考察的主體。封裝材料的電阻都是正溫度系數(shù)，這是我們不想要的電阻。當(dāng)溫度改變時，這兩類電阻引起的電壓改變是相互抵消的。因此，內(nèi)部封裝材料的寄生電阻是誤差的來源之一。

通常，芯片本身在設(shè)計中已經(jīng)會考慮到有關(guān)電極材料的電阻，會設(shè)計的盡可能使其最小化。但在芯片封裝時，可能會引入較大的寄生電阻。比如芯片到封裝電極的引線焊點有焊接不良、垂直導(dǎo)電芯片的粘片銀膠的電阻等。當(dāng)然在正常良好的封裝工藝下，通常這種寄生電阻也會很小。我們討論 K 系數(shù)測量問題時，是以良好的封裝工藝為前提的。

從我們對 LED 的實際測試、使用經(jīng)驗可知，在 LED 芯片允許的工作溫度范圍內(nèi)，溫度升高時，總會看到 LED 的電壓是下降的。這說明，半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度的變化量是占主要的，封裝材料的電阻影響是次要的。通常封裝材料的電阻都很小，即使隨溫度升高而改變，其變量往往是可以忽略的。這樣我們在測試 K 系數(shù)時，可以不考慮封裝體電阻隨溫度變化的部分，即近似認為其不隨溫度變化。在求 K 系數(shù)時，通過相減計算（依據(jù)公式 2 的原理），可以消除封裝體電阻上的電壓。

（2）測試結(jié)構(gòu)電阻的影響

測試機構(gòu)的電阻通常是正溫度系數(shù)，在不同溫度下，電阻值變化量會不同。因此，要求測試機構(gòu)引入的電阻盡可能小。由此，要求測試 K 系數(shù)時，測電壓的端點應(yīng)該盡可能靠近封裝體的電極，以避免電極以外的電阻隨溫度變化引入的誤差。并且要求供電導(dǎo)線和測電壓導(dǎo)線應(yīng)該有良好的焊接，不宜采用壓接的方式。壓接的方式或多或少存在接觸電阻問題，溫度變化（由芯片傳導(dǎo)過來的熱量和電流導(dǎo)致的熱量）容易導(dǎo)致接觸電阻變化。尤其是測電壓的導(dǎo)線，應(yīng)該直接焊接到器件封裝體的電極端。

（3）測試裝置的因素

本文所介紹的測試 K 值的方法，與專業(yè)測試機構(gòu)測試結(jié)果相比，其誤差有多大？

首先要從測試原理上來看。讀者真正了解了 K 值的物理意義和原理，就會發(fā)現(xiàn)，大家依據(jù)的物理原理是相同的。

其次就是看測試設(shè)備的狀況了。從測試設(shè)備上看，主要有恒溫室、電壓表、溫度計、供電電源等。

對于恒溫室，主要能做到控溫、保溫，在需要測試的一段時間內(nèi)溫度變化不大于 0.5℃（這實際上是很容易達到的），就能滿足測試要求。

電壓表，一般 4 位半的數(shù)字萬用表就可以了。

供電電源則要求電流的紋波盡可能小。一般市售的限壓限流直流電源都能滿足。

實際上，即使是同一批產(chǎn)品，各個器件的參數(shù)總是存在一些差異，因此，產(chǎn)品的規(guī)格書參數(shù)只能是反映產(chǎn)品的典型特性，并不代表具體的某一個產(chǎn)品的實際參數(shù)值。而測試制定一款產(chǎn)品的參數(shù)規(guī)格，也只能是測試少量樣品來確定，不可能通過全部產(chǎn)品測試來確定。真這樣也無法確定了，因為即使測試了全部產(chǎn)品，參數(shù)值也是不可能都是相同的。由此，同一個樣品或不同樣品測試上的一些小誤差是可以接受的。當(dāng)然，“小誤差”的量值是需要考慮的。

另外，測試時也只是選取了少量的溫度點，且測試中難免還會帶來一些偶然誤差，測試完成后還需做數(shù)據(jù)處理，比如，擬合成曲線時本身就會帶來誤差。即使是專業(yè)的、高精尖的測試裝置，是否能做到測試得到的各個數(shù)據(jù)點都是準確地落于直線上或一條很規(guī)則、平滑的曲線上？因此，強調(diào)絕對的準確是沒有意義的。

除非對于高精尖的產(chǎn)品，如導(dǎo)彈、衛(wèi)星等，可以對使用的每個器件做測試得出參數(shù)來設(shè)計裝備，這種不計成本的做法不是我們討論的內(nèi)容。

關(guān)于儀器方面的，雖然儀表測量電壓時會有個反應(yīng)時間問題，以及供電瞬間電壓有上升過程，這對絕對測量具體溫度下的電壓可能有誤差，但對測得 K 值并不會帶來誤差。因為對每個測試溫度點都有同樣的誤差，K 曲線的形狀就不會改變，改變的也只是曲線在坐標中的位置高低。這并不影響 K 曲線的準確應(yīng)用。因為曲線上各溫度點間的電壓差是相對不變的。而我們使用的就是這相對的電壓差，而不是每個溫度點對應(yīng)的真實電壓值。這方面在后面的結(jié)溫測量一節(jié)中可以清楚地看到。

對于器件生產(chǎn)廠商，如果測試產(chǎn)品的 K 系數(shù)是為了制定規(guī)格書。則應(yīng)該挑選幾個其它光電參數(shù)都符合規(guī)格的樣品做測試，然后總結(jié)給出一個典型的 K 系數(shù)，當(dāng)然最好是給出典型的 K 曲線。

在實際的測試中，由于各種原因，幾個測試點所獲得的實際數(shù)據(jù)，一般都不可能十分完好地在一條直線上、或在一條有規(guī)律的平滑曲線上。一般是做一條直線或有規(guī)則的平滑曲線來貫穿離散的點，并盡可能使得離散點能較均勻地分布在所繪線條的兩側(cè)。這種離散帶來的就是誤差。所繪線條上所對應(yīng)的數(shù)據(jù)就代表了該產(chǎn)品的典型參數(shù)值。線條數(shù)據(jù)和測試點數(shù)據(jù)是存在差異的，這就是批量產(chǎn)品中各產(chǎn)品的具體參數(shù)與規(guī)格書參數(shù)之間的誤差。即使到專業(yè)的機構(gòu)用專業(yè)的儀器測試，也是這樣的結(jié)果。

正是由于這種誤差的真實存在，在專業(yè)機構(gòu)測試的結(jié)果和自己測試的結(jié)果之間也可能存在差異。

只要你自制的測試機構(gòu)較為精細，儀器精度足夠，測試的結(jié)果也不會差。我還是那句話，自制設(shè)備是自用的，不是作為商品買的，所以不要華麗的外觀與正規(guī)，比如恒溫腔，就是一個能保溫的罩子罩住樣品、能達到保溫的效果即可，這比一個正規(guī)的商品恒溫箱價格低不知多少倍。

第三節(jié)利用 K 系數(shù)測算結(jié)溫

前面已經(jīng)講了，K 系數(shù)值或曲線與電流大小無關(guān)，因此，實際利用 K 系數(shù)測算結(jié)溫時，不需要通過改變器件的電流來進行?？芍苯釉趯嶋H的工作電流下通過測試 LED 的電極端電壓來計算。

利用 K 系數(shù)測算結(jié)溫，分為兩種情況：

第一種情況：器件廠商提供的 K 值只有一個值。這樣計算步驟簡單。但可能因為器件的電壓溫度系數(shù)不符合直線關(guān)系而導(dǎo)致誤差。誤差可能達到 10℃以上。當(dāng)然，如果該器件的 K 系數(shù)在整個溫度范圍內(nèi)能很好地接近直線，提供單一 K 值也是可以的。

第二種情況：器件廠商提供的是 K 系數(shù)曲線。 通常要求采用四線法來測量，以避免導(dǎo)線電壓對測量結(jié)果的影響。電壓表應(yīng)達到毫伏級。

1. 對于只有一個 K 值的情況

① 從被測器件的正負極分別引出兩根導(dǎo)線連接電壓表。導(dǎo)線要焊接在器件本身的電極上。

② 將器件或燈具放置到與室溫恒溫的狀態(tài)。記錄環(huán)境溫度 Ta。此時的結(jié)溫就是 Ta。

③ 給器件通電，記錄通電瞬間電壓表顯示的最大值。該電壓值即為結(jié)溫等于環(huán)境溫度值 Ta 下的值 Ua。由于最大值出現(xiàn)的時間很短，可以用攝像設(shè)備對電壓表顯示屏攝像，通過回看來獲取最大值讀數(shù)。

④ 通電后等待足夠長的時間，待器件或燈具達到熱穩(wěn)態(tài)后，讀取電壓值。該值即 Us。通常觀察電壓在 10 分鐘內(nèi)基本不變即視為達到熱穩(wěn)態(tài)。

⑤ 根據(jù)公式（3）計算出結(jié)溫。

注意：測試過程中環(huán)境溫度不要改變。

2. 對于 K 系數(shù)是圖線形式的情況

如果廠商提供的 K 系數(shù)是曲線形式，則是最好的了。這樣就不需要用具體的 K 值來計算結(jié)溫了，避免了因為 K 系數(shù)的非線性導(dǎo)致的誤差。

具體測算方法可參看圖 11。

① 測試 Ua、Us、Ta 的方法同上節(jié)所述；

② 計算ΔU＝Ua－Us ；

③ 根據(jù) Ta 值在 K 曲線上找到對應(yīng)點，讀取參考電壓值 Uar；

④ 以 Uar 值減去ΔU 得到相應(yīng)的參考電壓值 Usr，即 Usr＝Uar－ΔU

⑤ 以 Usr 值做橫線與曲線相交，即可得到對應(yīng)的溫度值，該溫度值即為測試時熱穩(wěn)態(tài)的結(jié)溫 Tj。

注意：給出的 K 曲線圖縱坐標上的電壓僅是表明曲線上各點的相對參考值。絕不能以測得的熱穩(wěn)態(tài)電壓值直接對應(yīng)縱坐標的值去查找結(jié)溫！使用計算ΔU 來獲取結(jié)溫才是正確的。另外注意，此時不需再上加環(huán)境溫度。

作為工程應(yīng)用，測試燈具中 LED 的結(jié)溫時，可以選擇如下幾種測試方法：

a. 建議對燈具中某個選擇的 LED 用四線法測試結(jié)溫。

b. 如果由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制，可能導(dǎo)致不同位置的 LED 溫度預(yù)估有大的差異，則最好從選定的幾個關(guān)鍵位置的 LED 上引出導(dǎo)線來測算單獨 LED 的結(jié)溫。

c. 如果要省事一點進行估算，可采用直接測量串聯(lián) LED 的總電壓，然后除以 LED 串聯(lián)的數(shù)量得到單個 LED 的 Us 值。但會有導(dǎo)線及 LED 差異導(dǎo)致的誤差，但燈具的設(shè)計有余量的話，這樣引入的誤差通常是可以接受的。

d. 對于集成封裝的 LED，只能采用平均值估算了。

第二章 熱阻法測算結(jié)溫

第一節(jié)熱阻法測算結(jié)溫的基本原理

熱阻法測算結(jié)溫，其理論依據(jù)是根據(jù)傅立葉一維熱傳導(dǎo)的理論，假設(shè) PN 結(jié)的熱量通過一維熱傳導(dǎo)垂直到達熱沉外表面的測溫點，并且該測溫點的等溫面不超出封裝體，或者說該等溫面的構(gòu)成不涉及有輻射傳熱。如此，就可以利用傅立葉一維熱傳導(dǎo)的公式來計算。根據(jù)傅立葉一維熱傳導(dǎo)理論：

P＝Aλ（Tj－Tr）/ L＝AλΔT / L —（4）

式中：

P：由 PN 結(jié)到熱沉表面測溫點的一維熱流量；

Tj：結(jié)溫； Tr：參考點溫度；

A：熱傳導(dǎo)路徑截面積； L：路徑長度

令：

R=L/(Aλ) —（5）

R 稱為傳導(dǎo)熱阻。

則公式（4）可以表達為：

R＝（Tj－Tr）/ P＝ΔT/ P —（6）

實際上，PN 結(jié)產(chǎn)生的熱量并不是一維傳導(dǎo)的，也就是說，PN 結(jié)產(chǎn)生的全部熱量不是僅僅向下傳導(dǎo)到熱沉?，F(xiàn)實中，一維熱傳導(dǎo)的情形是罕見的，因此我們應(yīng)用熱阻來分析和計算時，往往需要采用等效熱阻的概念。利用等效熱阻概念，往往要用到等溫面的概念。兩個等溫面之間的等效熱阻實際是很多各方向熱阻串、并聯(lián)的結(jié)果。

利用等效熱阻概念，在只有熱傳導(dǎo)和熱對流的情況下，等效熱阻的計算仍然可以采用公式（6）的形式。但是，如果等溫面以內(nèi)的熱傳遞涉及到輻射傳熱，公式（6）的形式不再成立。因此，在測算器件的熱阻時，器件表面上測溫點的選擇必須要滿足改點所處的等溫面不涉及輻射傳熱。（該等溫面以外可以有輻射傳熱。）

只有當(dāng)著器件測溫點等溫面不超出封裝體時（這個前提條件必須滿足），P 才可采用 PN 結(jié)產(chǎn)生總熱功率值。有關(guān)這方面的論證請參看文獻【1】。

對公式（6）做變換可得：

Tj＝Tr＋PR —（7）

公式（7）就是通常工程中熱阻法計算結(jié)溫的公式。

由公式（7）可見，要計算結(jié)溫，首先要知道該器件的熱阻值 R。

那么熱阻值又如何得知？

根據(jù)上面所述，通常情況下都不可能是一維熱傳導(dǎo)，就不能用公示（2）來計算熱阻，因此，對于器件的熱阻，也只能是采用等效熱阻。當(dāng)然，如果概念清楚的話，我們還可以簡化用“熱阻”一詞。該等效熱阻的測溫點選擇必須滿足上面所講到的“前提條件”。實際上，器件的熱阻值是根據(jù)電壓法來測算得到的。

具體求得熱阻值的步驟如下：

① 利用電壓法，首先測出器件的 K 系數(shù)。

② 將器件在某個散熱結(jié)構(gòu)下工作，利用第一章第三節(jié)的方法測算出熱穩(wěn)態(tài)下的結(jié)溫。

③ 根據(jù)器件的熱功率值，利用公式（6）算出熱阻值。

④ 器件用戶根據(jù)器件廠商給出的熱阻值，在實際器件使用的狀態(tài)下，通過測試器件測溫點的溫度，利用公式（7）來算出結(jié)溫。

通常，前面三步是由器件廠商完成，第④步是由器件用戶操作完成。通常人們所知的熱阻法測結(jié)溫，往往只是談及第④步，實際上，熱阻法測結(jié)溫的完整步驟應(yīng)該是包括上述四個步驟的。沒有前面的三個步驟，第四步就無從談及。

從上面熱阻法的測算結(jié)溫的原理可以看到，熱阻法測算結(jié)溫，其實是電壓法的一種延伸或變通。

我們可以看到，在熱阻法的全部步驟中，前兩步的方法已經(jīng)可以得到結(jié)溫值了，即利用電壓法已經(jīng)完全可以解決問題了。利用結(jié)溫去算出一個熱阻值，再利用熱阻值去算結(jié)溫（看起來像是在轉(zhuǎn)圈圈），熱阻法看起來是一種多余的做法。為什么還要有熱阻法？下面解釋。

第二節(jié)熱阻法測結(jié)溫的問題

1. 為什么要用熱阻法測結(jié)溫

在數(shù)字表出現(xiàn)之前還是采用指針式電壓表，它的指針過沖造成無法準確讀到瞬時數(shù)據(jù)。要準確測量電壓，需要精密的電壓表。這種精密儀表一般價格很貴，對一般用戶而言，不會因為很少的使用而去購買。所以才會有元件廠給出熱阻值方便用戶用測量參考點的溫度來近似計算結(jié)溫的做法。

因為溫度計容易得到。這就是熱阻法存在的原因。

從熱阻法的原理我們可以看到，熱阻法離不開電壓法。要求得熱阻，必先要測得 K 系數(shù)。有了Ｋ系數(shù)，再利用電壓法就可以測算結(jié)溫了。前提條件是，要有個高精度的電壓表?，F(xiàn)在能滿足電壓法測試精度的數(shù)字電壓表很普遍，價格也很低。電壓法的普及應(yīng)用不是問題了。而且在實際的應(yīng)用操作中，測電壓比測溫度要方便的多！

舉例來看。比如一個集成封裝的 LED 光源，正確的熱阻參考點應(yīng)該是熱沉底部中央。實際應(yīng)用時，光源要接散熱器，那么參考點的溫度如何測？必須在散熱器上打孔（有關(guān)半導(dǎo)體器件熱阻測試的正確方法讀者可以參看有關(guān)標準）。而用測電壓的方法，不需對燈具做破壞，簡單易行。

2. 熱阻參考點的選擇

熱阻測溫參考點的選擇是很重要的，如果選擇不正確，得到的熱阻值將不具有實用性。并且有關(guān)計算在理論上可能都是錯誤的。也就是說，測溫點選擇不正確，所做的一切都是錯誤的。這方面的論證請參看文獻【1】。器件的熱阻值測溫參考點通常應(yīng)該是：PN 結(jié)到封裝殼體熱沉外表面最近距離的位置。

在 LED 方面，溫度參考點選擇錯誤的現(xiàn)象比比皆是。比如：隨意選擇電極焊點作為溫度測試點；一些集成封裝和 COB 封裝的 LED 產(chǎn)品，將溫度測試點選擇在發(fā)光面一側(cè)，而不是在熱沉上，參看圖 12，這是錯誤的。以此點作為參考點，再利用公式（５）和（６）時，理論上就是錯誤的。

3. 器件傳熱狀況的影響

利用熱阻法測算結(jié)溫，必須考慮器件熱量的傳遞狀況。根據(jù)熱阻法所依據(jù)的計算公式（4）來看，該公式的形式只適合于傳導(dǎo)和對流。如果測試參考點的等溫面涉及到輻射，由于輻射傳熱與溫度的關(guān)系不是線性關(guān)系，不存在公式 P＝ΔT/R 的形式，所以再利用公式（5）就是錯誤的。器件的熱量必須全部以傳導(dǎo)、液體對流的方式傳遞到參考點。注意：必須是液態(tài)流體對流（對液體對流換熱，固、液界面的等溫面上，公式 P＝ΔT/R 的形式依然成立），而不是空氣。因為溫度參考點如果曝露于空氣中，則可能存在輻射傳熱的情形。

4. 溫度的影響

前面講到，一般 LED 的 K 系數(shù)都不是線性的，而是隨溫度變化的。由此可知，熱阻值也是隨溫度變化的。所以，器件廠商給出一個熱阻值，是在什么溫度下測試的？如果不明確，或即使給出一個測試溫度，你在實際應(yīng)用器件時的溫度是否符合這個溫度要求？如此一來。準確性何言？

5. 熱阻法測結(jié)溫參考點的正確選擇

如果一定要采用熱阻法來計算結(jié)溫，應(yīng)該正確選擇封裝體外表面的測溫參考點。下面給出一些LED 封裝體的參考點選擇例。圖 13 中“Y”表示正確的參考點，“N”表示錯誤的參考點。從這些例子來看，在實際燈具中要測試這些點的溫度是不容易的，需要對 PCB 或散熱器打孔才行。對于一些 LED 封裝體，可能不存在熱阻法所需的參考點。對于這類封裝的 LED，只能采用電壓法來測算結(jié)溫。例如圖 14。

第三章 其它測結(jié)溫方法簡介

現(xiàn)在還出現(xiàn)了一些其它測量 LED 結(jié)溫的方法。但是這些方法要么是準確性方面存在問題，要么是需要昂貴的儀器。不適合一般器件使用者實際應(yīng)用。下面簡單介紹。

1. 光譜法：根據(jù) LED 的光譜隨溫度的變化來測算結(jié)溫。 這種方法，一般只能專業(yè)測試機構(gòu)擁有。而且這種方法對儀器的精度要求很高。

2. 藍白法：根據(jù)白光光譜能量和藍光光譜能量的比值與溫度的關(guān)系來求結(jié)溫。

這只適合白光 LED，且也只能專業(yè)測試機構(gòu)擁有。

3. 紅外光譜成像法： 這種方法實際是不能測到結(jié)溫的。即使是未封裝的芯片，測得的也只是芯片表面溫度，而不是內(nèi)部的結(jié)溫。

這種方法可以對某款芯片做測試，然后與電壓法測得的結(jié)果對比求得一個換算系數(shù)。但是，對不同的芯片或封裝，不具有通用性。即這款芯片和封裝的器件的換算系數(shù)，可能是不適合不同芯片和封裝的。

因此，嚴格講，紅外法不適宜做準確測量結(jié)溫用，只適合做熱分析用。

藍白法本質(zhì)上也是光譜法。這兩種方法對測試儀器的要求都很高，儀器價格昂貴，只適合實驗室研究用。不適合一般燈具廠商開發(fā)燈具產(chǎn)品使用。因為一款燈具的開發(fā)，不可能一次設(shè)計、一次做樣就成功，往往需要多次試驗。不可能對每次試驗的樣品都送到測試機構(gòu)用昂貴的儀器、很高的費用去測試結(jié)溫的狀況。

光譜法用來研究 LED 的光譜與結(jié)溫的關(guān)系、作為探究、了解 LED 的特性是可以的，但作為一般工程上測結(jié)溫并無必要。因為電壓法簡便、準確，且廉價。

結(jié) 論

1. 測量 LED 的結(jié)溫，電壓法是最簡單易行、準確度最容易保證、測試成本最低的方法。

2. 熱阻法在實際應(yīng)用中存在很多問題，很多人不了解熱阻法測試必須遵循的理論依據(jù)，實際操作中錯誤地選擇測溫點導(dǎo)致結(jié)果錯誤。建議淘汰。

參考文獻

【1】夏俊峰，“通過模擬看熱阻法計算結(jié)溫的問題”，2017.12.07， https://www.cnledw.com/blog/1024930/Article-106257.html

【2】 陳星弼 唐茂成，“晶體管原理”，P.42

【3】 韓凱，劉木清“大功率 LED 結(jié)溫測量研究”，2010 四直轄市照明科技論壇

【4】 毛德豐，郭偉玲，高國，沈光地，“功率型 LED 結(jié)溫和熱阻在不同電流下性質(zhì)研究”，固體電

子學(xué)研究與進展，2010, 30(2)

來源：LED網(wǎng)博客，作者為夏俊峰。轉(zhuǎn)載請注明！