ICS 31.120 L 63 中华人民共和国国家标准 GB/T 38621—2020 发光二极管模块热特性瞬态测试方法 Transient thermal test method for light emitting diode modules 2020-04-28发布 2020-11-01实施 国家市场监督管理总局 发布 国家标准化管理委员会 GB/T38621—2020 目 次 前言 1 范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义 4 原理 5 一般要求 6 测试步骤 1 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/T38621—2020 前言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。 本标准由中华人民共和国工业和信息化部提出并归口。 本标准起草单位：中国科学院半导体研究所、中国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 1 GB/T38621—2020 发光二极管模块热特性瞬态测试方法 1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 理、一般要求、测试步骤、结果分析及计算、测试报告 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。 2规范性引用文件 2 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 SJ/T11394—2009半导体发光二极管测试方法 3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 light emitting diodemodule LED模块LED module 一个或多个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 junction temperature 模块中主要发热部分的半导体p-n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 PH LED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thermal resistance Rth 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 thermal resistance from junction-to-base p-n结到基板之间的热阻。 1 GB/T38621—2020 3.7 结-环境热阻thermalresistancefromjunction-to-ambient p-n结到环境之间的热阻。 3.8 瞬态测试 transient test 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 transientdual interfacetest 对具有不同接触界面的LED模块进行瞬态测试。 4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SJ/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k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 恒流激 计算机 数据集 图1测试系统示意图 5一般要求 5.1 测试条件 测试条件如下： a）环境温度：15℃～35℃； b）相对湿度：20%80%； c）大气压:86kPa～106kPa 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。 2 GB/T38621—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1℃。 6测试步骤 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： b) 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 模块可以使用电流0.1mA~1.0mA），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; c) 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； d) 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k，并最终获得温度随时间变化的快速冷却曲 线，如图3所示； f) 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 L 30 40 50 60 70 80 06 温度/℃ 图2LED模块电压与温度的对应关系 3 GB/T38621—2020 16 14 12 10 温升/℃ 8 1E-5 1L-1 1E-3 0. 01 0.1 1 10 1E-6 100 时间/s 图3 3LED模块瞬态快速冷却曲线 7 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Ch，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R·Ch模型来描述，见公式（1)： T(t)=P.Rh·[1-exp(-t/t)] ...(1) 式中： T(t) 瞬态温度，单位为开尔文（K)； PH 热功率，单位为瓦（W)； Rth 热阻，单位为开尔文每瓦（K/W)； t 时间，单位为秒(s)； T-Rh.Ch 该模型的时间常数。 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)： .(2) 式中： T(t) 瞬态温度，单位为开尔文（K)； PH 热功率，单位为瓦（W)； Rtti 每一层材料的热阻，单位为开尔文每瓦（K/W）： t 时间，单位为秒(s)； t,-Rthi·Cthi 每一层材料对应的时间常数。 对于一维热流传导而言，其热流方程见公式（3）： He 1 aT ...(3) c()a(r()a 式中： T 温度，单位为开尔文（K)； r(r) 单位长度的热阻，单位为开尔文每瓦（K/W）； 4