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－1－印行年月98年1月本標準非經本局同意不得翻印中華民國國家標準CNS總號類號ICS93.080.40C322115248經濟部標準檢驗局印行公布日期修訂公布日期98年1月22日年月日(共13頁)發光二極體元件之熱阻量測方法Methodsofmeasurementonlightemittingdiodecomponentsforthermalresistance1.適用範圍：本標準規定發光二極體元件之熱阻量測方法。2.引用標準：下列標準受引用部分視為本標準內容之一部分。對於有標註日期者，僅所引用之版次適用，對於未標註日期者，則適用最新版次(包含所有增/修訂部分)。CNS10907指示電計器3.用語釋義3.1發光二極體(light-emittingdiodes,LED)：具有受電能激發時發光之PN接面的半導體元件(以下簡稱LED)。3.2接面溫度(junctiontemperature,Tj)：LED元件的PN接面之溫度。無法直接量測，通常採用LED之VF電壓隨溫度變動率推算之。3.3加熱電流(heatingcurrent,IH)：施加於待測LED元件，可使PN接面溫度上升之電流，通常為待測LED元件之額定電流。3.4加熱電壓(heatingvoltage,VH)：在對待測LED元件施加規定之加熱電流IH下，所對應之電壓。3.5加熱功率(heatingpower,PH)：施加於待測LED元件之加熱電流IH與加熱電壓VH的乘積。3.6量測電流(measuringcurrent,IM)：在量測K係數期間，施加於待測LED元件之電流。3.7K係數(Kfactor)：量測電流IM所對應之順向電壓與LED元件接面溫度的關係，指其呈線性關係區域內之曲線斜率。3.8熱阻(thermalresistance,θ)：在熱平衡之條件下，沿熱傳導路徑上的溫度差與路徑中所消散的熱功率之比值，表示待測LED元件的散熱能力。3.9輻射通量(radiantflux,Φe)：在施加規定之加熱電流值IH，並達熱穩定狀態下，待測LED元件所發射之通量，單位為W。3.10LED元件參考點溫度：位於LED元件主要熱傳導路徑上，可作為LED元件之PN接面溫度的參考，並為可量測溫度之位置，此點之溫度即為LED元件參考點溫度(Tref)。備考：參考點溫度應儘量接近LED晶粒，由製造廠商指定之。4.量測條件4.1溫度：無特別規定時，熱穩定狀態下之環境溫度，於量測期間定為25℃±2℃。4.2濕度：無特別規定時，相對濕度為60%±20%。－2－CNS15248,C32214.3熱穩定狀態(1)可依圖1之流程決定熱穩定狀態，達到熱穩定狀態之熱阻如圖2所示。(a)當認定已達到熱穩定時，先記錄其熱阻值(θT1)及加熱時間(tT1)，以作為後續之參考比較；(b)升溫時間為其原先的1.1倍時(tT2)，再取1次熱阻值數據(θT2)與先前相比，若能與最初的數據相符(θ∣T2-θT10.01θ∣≦T1，且θ∣T3-θT10.01θ∣≦T1)，則第2步驟再重複1次，若數據仍與前一次相符，則最後一次的時間(tH)即為達到熱穩定狀態之時間。(2)若熱穩定狀態不易由熱穩定曲線得知時，可在指定之環境與測試條件下，對待測LED元件之加熱電壓VH進行量測，並將所得到之資料繪成如圖3所示之熱穩定狀態曲線。當LED元件加熱一段時間之後，VH值將趨於穩定，此時收集1至2筆數據，經過10分鐘後再收集1次數據作為比較，俟VH讀值已無明顯的趨勢變化(評估量測取樣期間內，其變化小於許可差)後，判定達到熱穩定狀態。上述之加熱電壓VH，亦可以量測電流IM所對應之順向電壓取代。備考：「VH讀值已無明顯的趨勢變化」以下列方程式計算結果判定：min/%1.0VdtdVHH≤Δ其中，dtdVH(V/min))t(V)0(VVHHH−=Δ(V)－3－CNS15248,C3221圖1熱阻量測時間決定之流程圖比較結果比較結果預設達到穩態－記錄tT1及θT1增加加熱時間－tT2=1.1tT1記錄θT2增加加熱時間－tT3=1.2tT1記錄θT3重設達到熱穩定狀態記錄之起始時間tH=t3RθJX=θJX=θT3∣θT2-θT1∣0.01θT1∣θT2-θT1∣≦0.01θT1∣θT3-θT1∣≦0.01θT1∣θT3-θT1∣0.01θT1達到熱穩定狀態－4－CNS15248,C3221圖2穩態熱阻曲線示意圖熱阻值(K/W)加熱時間圖3熱穩定狀態曲線示意圖加熱電壓(V)加熱時間達到熱穩定狀態達熱穩定狀態之熱阻－5－CNS15248,C32215.量測儀器與裝置5.1量測用電源：直流電源漣波(ripple)含有率在1%以下，電源穩定度應在±0.2%以內。5.2電性量測用計器及儀器：無特別規定時，計器使用CNS10907規定之0.5級品。電壓量測儀器之精確度須小於0.5%，解析度在0.5mV以下。5.3溫度量測系統：其精確度須小於1℃，解析度在0.1℃以下。5.4測試治具與裝置：建議參考附錄A之高導熱率測試板及附錄B之熱阻測試環境規定，在可使待測LED元件之接面溫度保持穩定，且不超過昀大額定值的情況下，可自行設計控溫承載治具以進行量測，量測溫度點需以圖形表示之。6.與量測條件有關之注意事項6.1電位基準點：在待測LED元件之各電極施加的電位基準點為其陰極端子。6.2絕對昀大額定：為確保待測LED元件正常操作，即使在暫態亦不得超過接面溫度、電壓及電流之絕對昀大額定值。6.3供電條件：量測紀錄須註明LED元件之供電相關條件。6.4暖機(warmingup)：量測設備需充分進行暖機。7.熱特性之量測7.1接面溫度7.1.1目的：在規定條件下量測待測LED元件消耗一定功率時之接面溫度。7.1.2量測原理：量測電路原則上如圖4所示。對待測LED元件施加不同電流，量測電壓之增加量與接面溫度上升的關係，以決定接面溫度。圖4熱特性之量測電路7.1.3量測程序(1)如圖4所示，對待測LED元件施加量測電流IM，量測其對應之順向電壓VF0。(2)以加熱電流IH替代IM，俟達到熱穩定狀態後，量測加熱電壓VH。(3)迅速以量測電流IM取代IH，量測其對應之順向電壓VFSS。由此可得︰FSS0FFVVV−=ΔFjVKTΔ×=ΔTj=Tj0+ΔTjTj0為量測開始前待測LED元件之初始接面溫度。電源波形如圖5所示。－6－CNS15248,C3221圖5電源波形7.1.4注意事項(1)IM之目的在於驅動待測LED元件，但不得使待測LED元件產生自發熱，其範圍建議為100μA至10mA之間。(2)將電流由IH切換至IM時，擷取電壓值時將有一段量測延遲時間，而將因冷卻效應而影響量測結果，故需將量測延遲時間縮至昀短，建議在20μs至50μs之間。7.1.5LED元件廠商須提供下列規格以作為量測條件：(1)環境溫度(Ta)；(2)量測電流(IM)與加熱電流(IH)。7.2K係數7.2.1目的：在規定條件下量測待測LED元件之K係數。7.2.2量測原理：量測電路原則上如圖6所示，溫控箱需具有均勻溫度並有足夠大的空間放置待測LED元件，且須對待測LED元件提供電性連接，以利進－7－CNS15248,C3221行電流、環境溫度及順向電壓之量測。圖6K係數之量測電路7.2.3量測程序(1)先控制環境的初始溫度(Ti)在接近室溫的穩定狀態(例如：25℃)，隨即測量其對應之順向電壓(VFi)。(2)使溫度增加到高溫(Th)，典型值為100℃，待穩定後量測其對應之順向電壓(VFh)。K係數即可由下列方程式計算得出：FiFhihVVTTK−−=(3)由圖7可得知K係數為直線斜率的倒數。圖7VF-Tj之關係曲線圖溫控箱熱電偶溫度及供電量測系統－8－CNS15248,C32217.2.4注意事項(1)施加於待測LED元件之量測電流不得使其產生自發熱。(2)量測的溫度範圍建議大於50℃，取樣次數建議至少每隔10℃擷取1點。7.2.5LED元件廠商須提供下列規格以作為量測條件：(1)環境溫度(Ta)；(2)量測電流(IM)與加熱電流(IH)。7.3熱阻7.3.1目的：在規定條件下量測待測LED元件之熱阻。7.3.2量測原理：與第7.1.2節及第7.2.2節相同。7.3.3量測程序：依照下列公式可得到待測LED元件之熱阻值：()⎥⎦⎤⎢⎣⎡Φ−×Δ×=Φ−Δ=eHHFeHjJXVIVKPTθ其中PH為LED消耗的功率。θJX下標X由待測LED元件參考點溫度決定之，例如，在待測LED具有良好之散熱情況下，X可以表示為待測LED之外殼C，即為θJC。LED元件所消耗的功率有一部分的能量係以光的形式發散，其熱阻簡化模型參考圖8。圖8LED元件之熱阻模型LCJXR//Rθ=以光的形式消散能量之路徑為另一個等效熱阻RL，與其他的熱傳導路徑的總熱阻RC並聯成為整個LED元件之熱阻。隨著LED元件輻射效率提升，RL的比重將隨之增加。在同樣的封裝製程下輻射效率高的LED元件所測得之熱阻將比輻射效率低者小。評估封裝結構的散熱能力時須量測RC，計算RC時需扣除分流之輻射通量，以下列的修正式計算：()⎥⎦⎤⎢⎣⎡Φ−×Δ×=Φ−Δ=eHHFeHjCVIVKPTR其中eΦ為LED元件在加熱電流下所發射之輻射通量。備考：輻射效率定義為：LED元件之輻射通量(W)/輸入電功率(W)。RCRL輸入功率熱功率輻射通量－9－CNS15248,C32217.3.4注意事項(1)測試件周圍1m內之溫度，須維持在25℃±1℃；(2)以測溫器(例如：熱電偶或熱敏電阻等)擷取待測LED元件參考點溫度。7.3.5LED元件廠商須提供下列規格以作為量測條件：(1)環境溫度(Ta)；(2)量測電流(IM)與加熱電流(IH)。－10－CNS15248,C3221附錄A(參考)高導熱率測試板之建議規格A.1目的：作為熱阻測試之高導熱率測試板的參考規格，以確保在量測熱阻(接面對空氣)時，由測試板幾何形狀所造成的誤差能小於10%。A.2材料規格：測試板之材質為鋁基板，其厚度為1.60mm±10%，在特殊條件下，亦可使用其他已知與鋁導熱率建立關係係數之材質。圖9為鋁基板之示意圖。圖9鋁基板之通路層與介電材料厚度之示意圖銅箔層介電層銅箔層：35μm至200μm金屬層介電層：75μm至100μm1.6mm±10%金屬層：1mm至3mm測試電路板之幾何規格(101.60mm×114.30mm)±0.25mm。尺寸參考JEDECJESD51-7。－11－CNS15248,C3221附錄B(規定)熱阻測試環境規定B.1接面對空氣(junctiontoair)B.1.1熱阻測試基板：參考高導熱率測試板之規格。B.1.2測試箱：構造係內容積為0.0283m3之密封箱，所有接縫應徹底密封，以確保無氣流通過，注意箱體材料應為低導熱材料。設計範例參考JEDECJESD51-2。備考：對於消耗功率大於1W之高功率LED元件，若其在進行熱阻量測時使環境溫度增加10%以上時，則應考慮增加測試箱之尺寸。任何測試箱的尺寸變化均須於報告中註明並標記為非標準規格。B.1.3夾治具：待測物應位在測試箱內之幾何中心，因此夾治具的尺寸將視測試電路板大小的不同而改變，夾治具應使用絕緣且導熱率低的材料。備考：任何偏離此規定的裝置須標記為非標準。B.1.4邊緣連接器(edgeconnector)：插槽需與規格中所述之測試板相符。B.1.5熱電偶(thermocouple)：導線直徑應不大於0.2540mm(AWG30)。熱電偶應安裝於測試電路板下方2.54cm處，並距離箱壁2.54cm。熱電偶量測系統的精確度須小於1℃。B.1.6測試板：參考材料規格中對測試板之規定。B.1.7材料：下列所示之材料僅供參考，並非以此為限。(1)密封箱：紙板、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚丙烯(polypropylene)、木材及膠合板等為可製作密封箱之材料。上述材料具有較低之導熱率。注意最小厚度為3mm。（若測試過程中環境溫度發生急劇變化(大於±3℃)，則應使用更厚之密封箱並置於更大的空間中。(