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JEDEC 标准

实现电学测试方法测量暴露冷

却的发光二极管的真实热阻和

阻抗

JESD51-51

2012年4月

JEDEC 固态技术协会

JEDEC 第 51-51 号标准

-i-

实现电学测试方法测量暴露冷却的发光二极管的真实热阻和阻抗

目录前言 .................................................................................................................................................... ii

简介 .................................................................................................................................................... ii

1 范围 ..................................................................................................................................... 1

2 规范性参考文件 ................................................................................................................... 2

3 术语和定义、符号 ............................................................................................................... 3

3.1 符号和术语 .......................................................................................................................... 3 3.2 LED 的定义 .......................................................................................................................... 4

4 结温，热阻／阻抗 ............................................................................................................... 6

5 建议对于 LED 的测量程序 ................................................................................................... 7

5.1 LED 的热阻和结温的测量 .................................................................................................... 7 5.1.1 电气连接和测试波形 ............................................................................................................ 7 5.1.2 使用电气试验方法测量 LED 的热阻／阻抗 .......................................................................... 9 5.1.3 测量延迟和测量电流的选择，数据校正 ............................................................................. 11 5.1.4 测量窗口的长度，加热时间 ............................................................................................... 12 5.1.5 LED 的实际加热功率 ......................................................................................................... 13 5.1.6 LED 的真实热阻／热阻抗 .................................................................................................. 14 5.2 LED 的 Rth／Zth 测量程序 ................................................................................................ 17 5.2.1 建议的测试程序 ................................................................................................................. 17 5.2.2 测试装置 ............................................................................................................................ 18

5.3 LED 正向电压的稳定性和 K 系数校准 ............................................................................... 18


-ii-


前言

此文件由JEDEC JC-15委员会热特性小组编制。它规定了功率型LED在物理意义上的热特性的细节和

规定。

简介

本文件的目的是规定，如何利用完善的测试过程所得出的实际的测量值识别佳的LED热学指标和其

它与热学相关的数据，这些测试过程包括为封装的半导体器件的热测试定义的测试过程（由JEDEC发布与维护），以及为光源特性定义的测试过程（由CIE–国际照明委员会发布和维护）。

本文件侧重于LED的热特性，其中LED做为特殊的封装的，分立的，半导体器件。然而，在需要时，

也可参考光学属性测量，国际照明委员会（CIE）（CIE 127:2007）的有关文件中规定和使用的术语、

定义及符号将被使用或提及。

图1–LED的光输出与LED的工作条件下不同（宏观）数量特性下的相互依存性

热测试过程中规定的有关LED的内容具有通用性，这意味着，只要有可能，稳态和动态（瞬态）热测

量之间没有做出区分。因此，这个文件属于JESD51-50到JESD51-53系列标准。JESD51-50文件中

对这些标准进行了概述（单芯片和多芯片，单PN结和多PN结发光二极管（LED）的热测量方法概述）。该文件还应当与JESD51系列标准结合使用，尤其是JESD51-1（集成电路热测量方法-电学测试方法）和有关结到外壳热阻测量的JESD51-14标准（用于测量热流量通过单一路径时半导体器件的结到外壳热阻的瞬态双接口测试方法）。

PH：耗散的加

热功率 VF：正向电压

TJ：结温

Φ：光功

率输出

IF：正向电流


-iii-

简介（续）

ηe 辐射效率【%】（Popt/Pel–发射出的光功率／电功率）

IF 正向电流【mA】

2a）

ηe 辐射效率【%】（Popt/Pel–发射出的光功率／电功率）

IF 正向电流【mA】

2b）

图2–两个不同的功率型LED的能量转换效率（也被称为辐射效率）中的温度和正向电流的依赖性

之所以专为LED提供这些指导准则，是因为，确定其实际中的热学特性要比传统的半导体器件更复杂，

后者的目的不是发出任何形式的电磁辐射，如可见光。


-iv-

简介（续）

LED的热学特性是半导体二极管的热特性的一种特殊情况。出现了高功率和高能量转换效率的发光二

极管时，就需要有LED的测量指导准则。

如图1所示，这种物理复杂性表现在以下几方面：

● 电到光的能量转换效率取决于LED的工作条件：结温和施加的正向电流。这种效率不是一个单

一的数，因为它取决于LED的结温和正向电流，如图2a和2b所示。

● 因此，在LED的活性区域消耗的功率可通过所提供的总电能（VF·IF）和作为光辐射发射的总

能量（Φe–发射的总辐射通量，也记为Popt）的差值来确定：

此功率与 LED 的热阻一起决定结温。在某些情况下，建议添加另一个损耗项 Ploss（表示额外

损失），如透镜的光吸收（理想情况下可忽略不计）和荧光体的能量损失（在白色 LED 的情

况下）。实际情况下，这些几乎不能单独测量，因此不予考虑。


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（根据JEDEC董事会投票表决JCB-12-08，在JC-15热学特性委员会的认定下制定）。

1 范围

本文件描述了功率型发光二极管（功率型LED）和／或高亮度发光二极管（HB LED）（以下简称为

LED）的热测试过程，通常用于100mA以上的正向电流的操作，并发出可见光1)

这些测量指导准则的应用建议对于封装型LED：1）总电力功耗大于0.5 W，2）能量转换效率大于5％，

3）有稳定的直流电源供电（通常用于强制恒定正向电流），无论封装内的LED器件是否被实现为单

芯片或多芯片器件。本文件中使用的术语LED或LED器件的定义的更多具体内容在第0节中可以找到。

本文件不考虑激光二极管。

谈到热测试时，可以将实验室测试和整体测试区分开。本文件的范围是功率型LED的实验室测试。

本文件中给出的建议对LED的稳态和动态（瞬态）热测量均有效，两者都依赖于JEDEC JESD51-1电学测量方法。对于稳定状态热学测量标准，JESD51-1中定义的静态和动态试验方法都可使用。

关于加热功率，本文件旨在作为JEDEC对于LED的具体的扩展JESD51-14“在热量流过单一路径的半导体器件时，用于测量结到外壳热阻的双面瞬态测试方法”仅适用于直流驱动LED。JESD51-14中有关LED的更多新增内容在未来可能也会发布，它涉及封装的功率型LED与其他封装的功率型半导体

器件差异的实际方面。

1) 严格地说，LED 这个词只适用于发出可见光的二极管。这些发出红外线或紫外线辐射的二极管，被称为 IR LED或 UV LED。


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2 规范性参考文件

下列规范性文件所包含的规定，通过在该文本中作为参考提及，构成本指导准则的规定。凡是注明日

期的引用文件，其随后所有的修正或修订，这些出版物不适用本标准。然而，鼓励根据本标准达成协

议的各方研究应用下述规范性文件的新版本的可能性。凡是不注日期的引用文件，其新版本的规

范性文件适用于本标准。

JESD51，元器件封装的热测量方法（单一半导体器件）。

JESD51-1，集成电路热测量方法–电学测试方法。

JESD51-12，电子封装热信息的报告和使用指南。

JESD51-13，热测量术语和定义汇总。

JESD51-14，半导体器件在热量流过单一路径时，用于测量结到外壳热阻的双面瞬态测试方法。

JESD51-50，单芯片和多芯片，单PN结和多PN结发光二极管（LED）的热测量方法概述。

JESD51-52，将CIE 127-2007总光通量测量与带暴露冷却表面的LED的热测量结合的指导。

JESD51-53，LED热测试的术语、定义和单位汇总。

CIE S 017／E：2011 ILV，国际照明词汇。

CIE 127：2007技术报告，LED的测量，ISBN 978 3 901 906 58 9。

MIL-STD-750D方法3101.3，二极管的热阻抗（响应）测试。

ANSI／IESNA IES命名委员会，IES RP-16-10，照明工程的术语和定义，ISBN 978-0-87995-208-2。

ANSI／IESNA IES-LM-80，经检验的测量LED光源的光通维持率的方法，ISBN 978-0-87995-227-3。


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3 术语和定义、符号

3.1 符号和术语

在本文件中，JESD51、JESD51-1、JESD51-12、JESD51-13和JESD51-14中使用的符号被采用。

使用国际照明词汇CIE S 017／E:2011 ILV中定义的有关光输出测量的通用术语和数量；使用CIE 127:2007中有关 LED光度和辐射度的特定术语。本文件中提及的重要的术语和符号在表1中列出。

JESD51-53中提供了与LED结合使用的术语、定义和单位的综合描述。未列出的术语和定义参考

JESD51-13、CIE S 017／E:2011 ILV和ANSI／IESNA RP-16-10。

表1–本文件使用的符号符号计量单位名称，描述

TJ 【°C】 LED 的结温（见 JESD51-1）表示为 TC，在 CIE 127:2007 中为芯片温度。（在有关温度范围内，

【°C】的用法更常见。）

∆TJ 【°C】或

【K】结温变化（见 JESD51-1，JESD51-50）。对于温差，常用【°C】。

RθJX, RthJX

【K／W】结到特定环境的热阻（见 JESD51-1，JESD51-50），其中 x 是指环境。

θJX 【K／W】 RθJX的替代符号（见 JESD51-1，JESD51-50）。 ΨJX 【K／W】结到 X 热特性参数，（见 JESD51-13）。 VF 【V】结的正向电压 IF 【A】结的正向电流

PH 【W】 LED 的结的散热功率（见 JESD51-50），也表示为 PH和称为加热功率（见 JESD51-1，JESD51-14和 MIL-STD-750D 方法 3101.3）。

Popt 【W】 LED 发出的光功率称为总辐射通量，在 CIE S 017／E:2011 ILV 表示为Φe。它也被称为辐射功率。

Pel 【W】供给到 LED 的电功率，等于正向电压和正向电流的乘积：Pel = VF · IF。在 CIE 127:2007，这个量

被表示为 P。

Φe 【W】 LED 的发射的光功率，Popt的替代符号，被定义和称之为总辐射通量或辐射功率（见 CIE S 017／E:2011 ILV）。

ηe, WPE

【%】 LED 的辐射效率或能量转换效率或电光转换效率：100×发射光功率值 Popt 除以 Pel 供给电力。在

本文件中，WPE 被定义为用于单一的 LED 器件。

ηV 【lm／W】效能（根据 CIE S 017／E:2011 ILV，是指光源发光效能的简称，）LED 发射的总光通量值ΦV除

以 Pel供给电力。 z s 对数时间，此量的绝对值定义为 z = log（t）。

ZθJX, ZthJX

【K／W】结到特定环境的热阻，结温随环境 X 温度发生的临时变化，标准化为 1W 加热功率，并以 z 对数

时间标度。 TSP 不适用热敏参数，如果是半导体二极管，它是 VF 正向电压。 SVF 【mV／K】正向电压的温度敏感特性，在 IM测量电流时测得（也称为传感器电流）。 K 【K／mV】 K 系数，正向电压温度敏感特性 SVF的倒数，在 IM测量电流（也称为传感器电流）时识别。 IH 【A】用作加热电流的 LED 的正向电流的值。 VH 【V】加热电流偏置时 LED 的正向电压值。 IM 【mA】用作测量电流的 LED 的正向电流值。 tMD 【s】测量延迟时间，切换施加到被测 LED 的功率和首次读取未用电气瞬态分布的 TSP 的时间间隔。

VFi 【V】切换二极管中的功率后 LED 正向电压的初始值。 VFf 【V】切换功率后二极管达到其终热稳态时 LED 的正向电压的终值。


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3 术语和定义，符号（续）

3.2 LED 的定义

常用术语（高）功率型LED存在歧义，因为有一种趋势是将多个单PN结LED芯片封装在一个单独的封

装内（共享相同的冷却组件和光学透镜）或单个芯片上的多个基本PN结形成LED器件。此外，在许

多情况下，都是将多个封装的LED组装到基板上（通常是一个高导热性的基板，例如金属芯PCB或简

称MCPCB），以形成一个单一的器件。在许多情况下，这些器件内部形成基本发光二极管阵列，但

连接到外部环境的电极连接数量有限：这样大多数高功率型LED阵列的电气电路，不允许用于连接到

一个单独的二极管。只有两个电触点时，热学测量必须把整个阵列作为一个二极管。这种现实情况说

明，结温测量实际上会形成多个结温的加权平均值，同时将测得的温度与阵列内的空间位置相关联的

能力也是有限的。图3所示为单个发光二极管的3×3实际排列可能的不同电气配置实例。

a）串联 b）并联 c）串联／并联 d）单独

图3–不同的LED阵列配置

图4–LED阵列器件的例子：a）带独立的LED的RGB模块（多封装的单MCPCB，每个封装是多芯片），

b）MCPCB基板上多芯片独立封装LED光源，c）可单独点亮封装内每个芯片的单封装多芯片LED器

件

LED阵列被定义为安装在封装或基板上的两个或更多单独的芯片方式，其安装方式使得阵列中的任何器件均可以通过并联、串联或单独连接供电，而在阵列中的其他器件可能会或可能不会工作。单独的LED芯片也包含芯片上的LED结的阵列。


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3 术语和定义，符号（续）

3.2 LED的定义（续）

LED芯片阵列的热学测量可以在阵列上作为一个整体或在阵列内单独的芯片上来完成，这取决于可用

的电气连接。图3给出了不同的电气连接选择方案的原理图。该串联配置要求高的电源电压，但也

要求低的电流。相反，并联配置要求高的电流，但要求低的电压2)。串联／并联配置需要适度

的电流和电压，并且通过修改串联和并联配置，可以更容易地定制，以满足特定的应用要求。在图3中所示的单独配置，具有一个共用的阳极连接，当LED不一样时（即颜色不同等），这种配置常使

用。其他单独配置包括每个器件有单独的触点，X-Y的位置和共用阴极。LED阵列器件的实用（产品）

例子如图4所示。任何这些阵列配置的热测量都是必要的，以确保每个阵列元素在该具体元素的一个

可接受的结温（TJ）范围内操作。

当阵列产品只适用于有＋和－导线／触点的封装形式（图3b），阵列只能作为一个合成的LED进行测

量。这样的一个阵列测得的所有特性（热阻、整体正向电压的热敏参数、辐射通量、光通量、颜色等）

是阵列的总体特性。在这种情况下，阵列被认为是单芯片的等效器件，其具备阵列器件测得的总体特

性，即数据结果将假设阵列中的每个LED具有相等的功率分布、相同的温敏参数（TSP）变化值和相

同的结温变化（∆TJ）。

在后面的章节中，对于术语LED（或功率型LED）或LED器件，我们是指任何LED阵列排列中的一个

单独的LED，或阵列中的元素无法单独测量的LED阵列的等效的LED（这种等效LED具有总体特性的

特点），带有裸露的冷却表面，在正常工作期间会发生散热。该冷却表面可以是单一封装LED器件（通

常在固态照明行业被称为0级设备）的冷却接头片（散热块）或连接封装LED器件的基板（如图4b中所示的MCPCB，在固态照明行业通常被称为1级设备）的，也可参见ANSI／IESNA RP-16-10照明工程术语和定义中LED封装的定义6.8.5.1和LED阵列的定义6.8.5.2或模块。本文件的范围不包括ANSI / IESNA RP-16-10中定义的任何其他固态照明装置。

2) 由于可能的高电压或高电流，被测器件的要求可能超过某些市售的热测试设备的限制。因此，测试设备供应

商可能会提供所谓的功率放大器，满足 LED 阵列的电压／电流规格，市面上这可能会被称为 LED 放大器。


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4 结温，热阻／阻抗

半导体器件的关键热参数是结温TJ，和热阻RθJX或θJX（见JESD51-50，JESD51-1和MIL-STD-750D方法3101.3）：

其中

TJ0是施加耗散功率（加热功率）之前的结温，也被称为隔热温度； ∆TJ是结温的变化，作为对耗散功率的变化的响应。

在仔细定义特定环境X的条件下，结温相对于TX（环境X的基准温度）发生的变化可以确定如下（见

JESD51-50）：

或者

其中

PH是器件的耗散功率； RθJX是器件结到特定环境X的热阻。

通过重新排列方程式（3），器件的热阻通常表示如下（见JESD51-1第3页和MIL-STD-750D方法3101.3第6页）：

能够计算结到X热阻[∆TJ]X／PH（见JESD51-1，第3页第4段）的初始条件是当PH = 0，TJ = TX和在测

试期间TX保持恒定3)。

关于在本文件范围内的LED，结到外壳的热阻和／或结到外壳的热阻抗是相关的热学属性测试。在

本文件中，讨论仅限于通过使用JESD51-1静态测试方法测量这些属性。

为了使用与CIE建议的LED光输出测量值兼容的过程测量LED的发射光功率（也被称为辐射功率），

测量其发射光功率时，必须达到被测LED的热稳定状态。因此，建议在冷却模式下对LED的热特性进

行测量（如图5所示），并且这种方法也符合JESD51-14。

3) 这个要求可以为两种极端的测试环境保留：散热情况（冷板环境）和自然对流环境，分别产生 RthJC结到外壳

和 RthJA结到环境的热度量标准。对于 MCPCB 组装的 LED 器件，相关的度量标准是 RthJC。


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4 结温，热阻／阻抗（续）

图5–根据器件结温和耗散功率在时间上的差值计算结到X热阻

根据JESD51-14中给出的定义，结到X热阻抗的定义如下：

如果测试时间非常长，几乎为t = ∞（即观察到结温没有相当大的变化），方程式（6）定义稳态热度

量标准RθJX。当目标是测量稳态热度量标准RθJX，初始和终结温（用TJ1 = TJ (0)和TJ2 = TJ (∞)标识，

如图5），可以同时用JESD51-1中定义的静态和动态测试方法测量。在t = 0时必须测量结温，并使测

量延迟尽可能小。详情参见第5节。

5 建议对于 LED 的测量过程

5.1 LED 的热阻和结温的测量

5.1.1 电气连接和测试波形

该标准是基于JESD51-1和MIL-STD-750方法3101.3所述二极管测量技术。如这些标准所建议的，LED的结温也可以使用四线测试设置（也被称为开尔文设置）的电学测试方法进行测量，如图6中的基本

测量电路所示。图7所示为测试波形的基本方案。


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5.1 LED的热阻和结温的测量（续）

5.1.1 电气连接和测试波形（续）

低电流（IM）条件下器件初始正向电压VFi（器件从IH加热电流切换到IM测量电流后）和在IM电流时测

得的VFf 终电压的差值与高电流（IH）加热所造成的结温变化成正比。正向电压对结温的这种线性依

赖形可以如下所述：

其中，SVF = SVF(IM)是在IM电流时测得的正向电压的热敏参数，其倒数为K系数：K = 1/SVF。（有关K系数的进一步详情，请参阅5.3）。

图6–二极管热测量电路（见JESD51，MIL-STD-750D方法3101.3）

图7–LED热测量波形

加热（电流）测试（电压）


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5.1.1 电气连接和测试波形（续）

从理论上讲，必须等待无限长的时间才能使结温以及此后正向电压保持稳定。因此，根据方程式（7），LED的正向电压在切换LED的正向电流后的终值VFf，可以表示如下：

5.1.2 使用电学测量方法测量 LED 的热阻／阻抗

根据方程式（8），方程式（5）中结温的变化是

利用这一点，结到参考环境X的热阻可以表示如下：

由方程式（6）引入的结到参考环境X的热阻抗还可以通过正向电压的变化来表示：

如果还没有考虑发射光功率∆PH，由方程式（10）和（11）所定义的热阻和阻抗应分别用RΘJX-el和ZΘ

JX-el，表示。

图8是通过图7中所示的测试波形在t = 0的切换状态后的I-V特性，表现的LED器件的电气状态和热状态

转换。

为了保证LED热特性和光输出测量之间的一致性，需要施加恒定的功率。在此描述测试过程，它依赖

于JESD51-1电学测试方法。在光输出测量的测量期间，在下述的的测量过程中，确保使用恒定结温

和恒定正向电流。

JESD51-1中初的静态测试方法（其中在被测器件的初始热稳态和终热稳态测量结温，根据方程

式（10）得出热阻值）和静态测试方法的实时瞬态延伸（其中在初和终热稳态之间连续测量结温，

根据方程式（11）得出时域的热阻抗）均可实现。基于JESD51-1动态测试方法的测试设备也可以被

用于测量方程式（8）中的VFi和VFf。

如果在一个LED测试平台基于静态测试方法进行时域瞬态热测量，然后瞬态RthJC数值，结到外壳热阻，

LED的测量可以根据JESD51-14进行测试，在有关冷板和DUT安装方面的建议会有稍许修改。


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5.1.2 使用电学测试方法测量LED的热阻／阻抗（续）

图8–用器件的I-V特性表示的时间实例t = 0后LED的电和热态转换，施加如图7的测试波形

图9–时间实例t = 0后表示为时间图的LED的电气状态和热状态转换，施加如图7的测试波形，表示在

冷板上测得的LED典型的时间标度

通过加热电流偏置

的热器件

电瞬态

通过测量电流偏置的热

器件热瞬态通过测量电流偏置的

冷却器件


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5.1.2 使用电学测试方法测量LED的热阻／阻抗（续）

对于LED的热阻特性，建议测量它们的冷却曲线，原因如下：

○ 这也是JESD51-14中的建议。原因是，在冷却模式下，随着所施加的电功率的变化的误差是可以

忽略不计的（详情见5.1.5）。这确保了切换后功率事实上保持恒定，如果测得的驱动点的热阻抗

用结构函数所表示，这也是一个理论要求。（在JESD51-14的附录A和技术文献1和2中查看有关

结构函数的详情。）

○ 如5.1.6所述，LED首选的测试方法是在一个单一的测试平台结合热学测量和光输出测量。CIE 127:2007标准中定义的LED的光输出测量过程需要正常工作电流被施加到LED时，在热稳态时进

行测量，这意味着LED的冷却可以在完成标准光输出测量和LED加热电流切换后自然测得。

（JESD51-52中提供了实施符合CIE 127-2007的总光通量测量并结合LED的热测量的建议。）

○ 根据上述两段，为了测量方程式（11）定义的ZΘJX(t)热阻抗，应采用JESD51-1的静态试验方法。

要测量方程式（10）定义的RΘJX热阻，JESD51-1中定义的静态和动态试验方法都可以使用。

5.1.3 测量延迟时间和测量电流的选择，数据校正

图9所示为图8中的正向电压瞬态值的随着时间的变化。这些发生在时间实例t=0时，LED的正向电流

从加热电流IH切换到IM，此时施加为图7所示的测试波形图。

VF(t)正向电压对时间函数开始有很大的寄生电瞬态，对应于从I-V特性曲线的工作点（VH，IH）到工作

点（VFi，IM）的跳跃。当二极管的正向电流在两个电流电平之间突然切换（阶跃的方式），这种电瞬

态在pn结的VF(t)函数中固有的表现出来。这个电瞬态的持续时间是由对应于IH加热电流电平的扩散电

荷的量降低到对应于IM测量电流电平的扩散电荷的量的速度决定的。（电瞬态的速度也受到正向电流

从IH变为IM的电子开关速度的影响，及所使用的测量装置的杂散电容的影响）。IH和IM电流之间的差异

越小，寄生电瞬态流逝、消失的更快。应用较高的测量电流IM会减小电流差异，从而缩短寄生电瞬态

的时间长度，并允许在正向电压测量中有更高的信号噪声比。IM值的增加受限于这样的要求：以IM测量电流执行K系数校准过程中不应发生严重的结的自发热（见5.3）。如果是典型的功率型LED器件4)，

IM约10毫安，而IH典型值介于350毫安和1000毫安之间。如果是蓝色或白色LED，可能需要甚至20 mA或更高的测量电流IM，以提供一个稳定和无噪音的热信号。

4) 截至 2010 年初。


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5.1.3 测量延迟时间和测量电流的选择，数据校正（续）

选择tMD测量延迟时间时，应确保抓取到与结温瞬态对应的第一个正向电压读数。正向电流从IH切换到 IM后立即开始数据采样。在VF(t)正向电压和时间函数中通常有一个低点，将寄生电瞬态与热瞬态区

分开（见图9）。电瞬态的持续时间通常是10微秒到50微秒之间。因此，选择的tMD测量延迟时间应

好与此低点相符。如果是旨在记录方程式（11）定义的ZΘJX(t)热阻抗的实时热瞬态测量，tMD时序参

数被称为截止时间，在相应的标准JESD51-14中表示为tcut。

选择更长的tMD测量延迟，损失明显的大量的结温变化并在测得的∆TJ值中存在较大误差。

根据方程式（9），∆TJ(t) = ∆VF(t) x K(IM)。必须放弃与VF(t)正向电压对时间函数的寄生电瞬变对应的∆TJ(t)函数的数据点。有些LED器件的热速度远远超过电速度，因此，在tMD测量延迟时间可能发生显

著的结温变化，即使它是以10微秒的数量级变化。因此数据校正不应限于放弃寄生电瞬变，而是结温瞬变应外推算回切换的时间实例。JESD51-14的4.1.3详述的外推方法应适用于此。

5.1.4 测量窗口的长度，加热时间

功率型LED或连接到冷板上的功率型LED组件的大热时间常量的数量级为30秒到120秒，也就是说，

LED结温的冷却瞬态横跨此范围。应采用试验测量，以确定测量窗口的tM时间长度（见图7），在此

期间，达到正向电压的终稳态值VFf。如果正向电压读数的变化在时间窗口（等于已经超过测量时间

的三分之一的时间窗口）内收缩到0.5％以下，则假定为达到稳定状态。

选择的tH加热时间必须至少为测量窗口长度的1.5倍：tH > 1.5·tM，为了接下来的测试中获得在合适的

重复性。否则，在测量时间内会看到加热和冷却的叠加。（没达到稳定状态）

如果在一个LED测试平台，进行热测试和光输出联合测量，为确保IH加热电流被施加到LED后正向电

压的VH值保持稳定，而且留出足够的topt测试时间（如图7所示），在LED的稳定热工作点执行光输出

测量，这是必需的。即使没有进行LED的热和辐射联合测量，保持上述的要求仍是一个很好的做法。

（加热时间的低理论极限值是器件的热瞬变长度，因此，加热时间至少应与测量窗口的时间长度相

同。）


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5.1.5 LED 的实际加热功率

对于LED要考虑的加热功率是结点的实际耗散功率，它是施加的Pel电功率和发射的Popt光功率的差值。

在方程式（10）或方程式（11）中考虑的∆PH加热功率差值应计算如下：

1）施加IH加热电流时，处于稳定状态的电功率如下：

2）施加IH加热电流时，处于稳定状态的LED发射光功率等于以该电流和在相应的TJ1结温下测得的

LED的总辐射通量：

其中

TJ1表示施加 IH加热电流时的稳态结温。

3）施加加热电流时的总加热功率等于

4） IM测量电流所引起的小加热功率计算如下

5）施加IM测量电流时，LED的发射光功率等于以该电流和在相应的TJ1结温下测得的LED的总辐射通量：

6）施加测量电流时的总加热功率等于

7）根据发射的光功率校正的∆PH应用∆PH-corr表示，并可以计算如下：

8）忽略IM · ∆VF(t)和Φe[IM, TJ(t)]导致总功率变化误差小于1％，因此推荐以下方程式来确定LED的加

热功率：


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5.1.5 LED的实际加热功率（续）

要估计忽略IM · ∆VF(t)和Φe[IM, TJ(t)]导致的误差，图10中所示为一个10W的白色LED（4个芯片串联连

接）的测量示例。此处显示的总误差是与总加热功率相比被忽略的各项的总和。

图10–用700 mA加热电流驱动和10 mA测试电流测量的4芯片10W白色LED的加热功率的计算值与

发射光功率的实测值

确定IH/IM比值时，应确保计算加热功率的总误差保持在1％以下。影响选择的进一步因素包括∆VF测量

的敏感度（信号噪声比）以及有关tMD测量延迟时间的考虑（5.1.3）。

5.1.6 LED 的真实热阻／热阻抗

用方程式（10）和（11）以及表达式（19）所定义的真实加热功率计算的LED的热阻／阻抗被称为真实热阻／阻抗。因此，根据测得的数据获得的LED的真实热阻为

和热阻抗函数为

为了区分分别由方程式（20）和（21）计算出的真实热阻／阻抗和按照方程式（10）和（11）得出的不考虑发射光功率的热阻值，应使用符号RΘJX-real和ZΘJX-real。

∆PH-corr，按照（18）

∆PH-corr，按照（19）

总误差

光功率与结温


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5.1.6 LED的真实热阻／热阻抗（续）

由于任何LED的辐射通量（发射光功率）和能量转换效率取决于结温（见图10和图11），应特别注意

确保热测量结果和光输出测量结果之间的一致性。这意味着，方程式（19）中的辐射通量（发射光功

率）应在热测试时施加IH加热功率所得出的十分一致的结温进行测量。建议的过程是使用一个单一的LED测试平台，它允许使LED进行的热测量和辐射测量联合测试。必须如JESD51-52中所述的那样，

测量被测LED的光输出（Popt或Φe）。JESD51-52中也给出了LED测试平台的建议。如果没有这样的

联合式LED测试平台，那么必须保证LED的热和光（辐射）测量使用相同的热环境。

在LED的结到壳热阻中，有些部分可能显示如图12所示的温度依赖性。此图显示了同一个LED在不同

的参考温度数值下测得的结构函数所得出的一组热阻抗。如图12的结构函数所示，温度依赖性的部分

是MCPCB和冷板之间的热学接触材料。由于这种可能的变化，建议在至少两个不同的参考温度数值

下测量LED的热阻，而且报告测量热阻／阻抗所处参考温度数值也是很重要的5)。

10W 白色 LED 在 350mA 和 700mA 的辐射效率

图11–ηe（IF，TJ）4芯片10 W白色LED的能量转换效率数据

5) 同样，热阻的变化突出了应用 IM测量电流的重要性，在这种情况下不会发生显著的自加热，因为如果在 K 系

数校准时发生自加热，结温不会随着校准室中环境温度的变化而变化。K 系数校准的详细信息，请参阅 5.3。

辐射效率【％】


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5.1.6 LED的真实热阻／热阻抗（续）

图12–连接到星形MCPCB的4芯片10W白色LED的真实热阻抗的结构函数表示（在冷板上测得）

5.1.7 计算LED的真实稳态结温

如果LED的真实热阻和实际加热功率在给定的参考温度下已知，可以根据方程式（3）计算实际结温：

其中RθJX-real应根据方程式（20）所定义公式的测量。

由于结到环境X总热阻可能有温度依赖性，LED的光输出特性应始终报告为按照方程式（22）计算出

的真实的结温的函数。

如【3】所述，LED的结温可以大致地设置为指定的值，适合所有类型的测试。因为这种确定结温的

替代方法只会得出近似值，建议根据方程式（22）测量目标结温。

之所以建议根据方程式（22）报告结温，原因是，该计算依赖于精确地设定测量的参数，其中对寄生

电瞬变加以说明的数据校正本身就会涉及，而到目前为止今为止还没有关于实现【3】所述步骤的标

准，这需要任何类似的数据校正。此替代方法的实施过程中，由于测量延迟太长导致的误差的数量级

可以是5°C或更高。

LED 封装：

无变化 Al MCPCB &TIMs：

温度依赖性


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5.2 LED 的 Rth／Zth 测量过程

5.2.1 建议的测试过程

LED的热阻（或热阻抗）应测量如下：

1）把LED器件安装在指定的测试环境的测试装置上（例如将水冷冷板或基于冷板的热-电冷却器作为

热参考环境），其温度可以控制，并如5.1.1定义与被测LED建立电连接。确保LED的光输出不受

阻碍。

2）通过执行JESD51-1的基本静态试验方法的步骤，或执行按照JESD51-14的瞬态扩展步骤根据

5.1.2测量热阻／热阻抗：

a）对被测LED应用IH加热电流，加热时间为5.1.4所定义tH；加热时间段结束时，当结温保持稳

定，如果在LED热和辐射测试联合测试平台进行测试，进行光输出的测量（如JESD51-52所述）；记录IH加热电流、相应的正向电压VH值和测量的Φe辐射通量（Popt）。

b）从IH加热电流切换到IM测量电流，并适当选择的tMD测量延迟时间（优选低于50微秒）后，记

录正向电压的初始值VFi。

c）如果执行静态测试方法的瞬态扩展，以对数时间标度连续记录∆VF(t)函数的值，在tM测量时间内时间分辨率至少为50点／10倍时间刻度（见JESD51-14，4.1.2）。

d） tM测量时间过去之后，测量并记录正向电压的VFf 终值，或如果进行瞬态测量，完成记录∆VF(t)函数。

e）根据方程式（19）计算实际加热功率–见5.1.5。

3）校准“二极管”，用作温度传感器–见5.3。

4）利用正向电压的温度敏感性，根据方程式（20）从所施加的电功率、发射光功率和测量的正向电

压的变化计算出热阻，从而获得真实的热阻，或根据方程式（21）用测量描绘记录的∆VF(t)函数，

从而获得LED真实的热阻抗曲线。

5）根据方程式（22）从已知的参考温度、确定的真实热阻和真实加热功率计算出结温6)。

6）如果是根据JESD51-14进行RΘJC瞬态测量，针对功率型LED的冷板和壳表面之间热接接触材料的

不同种类执行步骤1）到5），按照JESD51-14的程序确定瞬态RΘJC。

6) 这是计算结温的一个有用的公式，虽然 K 系数的校准过程不仅会得出 S 或 K 值，同时也会得出绝对正向电压

-温度的关系式。无论如何，在 120 秒的测量时间内，典型的测试仪会有小幅的失调漂移，同样校准的时间和测

量的时间可能是不同的时间，在测量时根据参考温度进行的计算甚至不包括多天内发生的测量通道的失调漂移

错误。


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5.2 LED的Rth／Zth的测量过程（续）

5.2.1 建议的测试过程（续）

7）报告在参考温度情况下，施加典型正向工作电流，此时的结温为25°C的情况下热阻。根据【3】所描述的方法，结温可约设定至25°C，而且可以根据方程式（22）精确地识别确定。

8）作为可选项，如果LED测试平台允许的话，请针对不同的参考温度值（包括25°C，55°C和85°C）

重复步骤1）到7）（ANSI／IESNA IES LM-80标准）建议的值。基于测量结果，根据方程式（22）计算出对应的结温，报告LED的效率和所有测得的光输出特性，作为这些结温的函数。

5.2.2 测试装置

根据MIL-STD-750D方法3101.3上的建议，LED热测试所需的装置应包括下面的内容，配置如图6所示：

● 恒定电流源，能够调整到所需的IH值，能够提供DUT所需的VH值。电流源应该能够在整个加热时

间内使所需的电流保持在±1％之内。

● 恒定的电流源，向IM提供充足的电压，以确保PN结的TSP完全打开。（能够被设备捕捉到）

● 一种能够在足够短的时间帧实现加热期间的条件和测量条件的切换以避免转换期间DUT冷却的

电子开关，这通常需要在微秒或几十微秒的范围内切换。

● 能够在时间帧内准确地进行VFf测量的电压测量电路，分辨率为0.1 mV或更高。

5.3 LED 正向电压的稳定性和 K 系数校准

大多数LED都是采用复杂的多元素半导体材料制成，这些材料还不具备与大多数硅器件相同的工艺一

致性。而且，某些类型的LED器件需要一些操作条件下的老化时间，以使结“退火”。其结果是，在

没有老化时间的情况下，重复施加相同的IF时，给定的正向电流（IF）的二极管正向电压（VF）会明

显的变化。因此，建议所有进行测试的LED样品都进行老化，保证测试的可重复性7)。此外，K系数（正

向电压温度敏感参数SVF的倒数）显示在老化之前和之后的很大的统计学上标准差的变化，甚至老化

之后在同一批制造批次的LED样品之间在统计学上标准差仍然有巨大的变化。

7) 取决于供应商。一些 LED 供应商的器件出厂时是稳定的，它们并不需要老化。要使 LED 长期稳定，仍有待

研究。在许多操作参数中，如光通量，色温，正向电压也可能在很长的一段时间内变化。这个时间可以是一万

小时及以上的数量级。在这样的时间帧内，正向电压的变化不会危及选定的 LED 样品的测试精度，前提是它们

已经老化且对 K 系数进行校准。


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5.3 LED的正向电压的稳定性和K系数校准（续）

K系数是LED结的VF正向电压（在恒定正向电流测得）和TJ结温之间的相关性。K系数的校准过程包括，

把测量样品放置到一个温度控制的环境中，然后使样品的TJ结温达到与其周围保持环境温度相同的稳

定状态，（TA如图13所示），同时由很小的恒定IM测量电流供电。记录VF，并以一个或多个不同的TA

值重复该过程。然后，绘制数据（TJ比VF），因此得到的直线的斜率就是K系数，单位为K/mV。建议在K系数校准中使用至少3个温度值8)。

如果同一生产条件下，同一批次的10个LED的样品在24小时的操作条件下老化工艺之前和之后要进行

K系数校准，批次下平均K系数与K系数的标准差的典型的比值通常会显著改变，如表2中所示。

表2 – K系数标准偏差

典型的 σK/KAvg [%] 操作条件老化前的 LED 批次 >10 操作条件老化后的 LED 批次 3 7 同等电流能力下的硅整流器 <1

这些结果会有严重影响。首先，适当老化前LED器件的热测量可能会导致明显的测量数据误差。其次，

σK/KAvg的高比值影响了每个LED的都必须用于热阻数据的生成的K系数。因此，进行测试的每个LED都必须单独进行校准来获得特定的K系数9)。要注意的是，K系数取决于所施加的测量电流IM，因此重

要的是，结温测量（第0节）时使用相同的IM测量电流，它曾用于K系数校准过程。（不同的测试电流

IM校准得到的K-系数不同）

pn结的正向电压的温度敏感性，可以从理想的二极管特性中得出：

或以正向电压的重新排列（同样考虑电串联电阻）：

8) 为了确保不同的 LED 产品测试的一致性，ANSI／IESNA IES-LM-80 的第 4.4.2 节中规定的外壳温度值（55°C和 85°C）和第三温度值实验室温度（25°C）建议在 LED 的 K 系数校准时使用。 9) 这与以前的 pn 结测试标准的建议存在重大的偏离，如 MIL-STD-750D 方法 3101.3。


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SVF = dVF/dTJ微分的终计算结果如下：

其中

VT =（k·T）/q是热电压（室温附近~26mV），k是玻尔兹曼常数， T是半导体的绝对温度，q是基本电荷）； n 是所谓的排放系数或pn结的理想因子（典型值是在1和2之间）； m 是I0饱和电流温度依赖性中的功率因数（典型值是3）； VG0 是半导体材料的带隙电压的标称值。

注：在方程式（25）中，结温应用开尔文替代（也见JESD51-1，2.1.2）。

如果是LED阵列，例如，在串联配置的情况下（图3a），结温变化引起各个LED共计的正向电压发生

变化，因此LED阵列的整个（总体）正向电压的温度敏感性是单个正向电压的温度敏感性的总和：

其中

SVfi 表示线性阵列中第i个LED的正向电压的温度敏感性； n 是串联连接的LED的数量。

图13所示为可能的K系数校准设置，其中使用热测试设备测量正向电压，并利用此设备完成终热测

量（如图15所示）。当然，K系数测量时，也可以使用任何高精密实验室电流源和电压表（也见JESD51和MIL-STD-750D方法3101.3的建议）。

图13–LED的K系数校准建议的设置


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图14–LED的K系数校准的温控室示例。这里显示的排列符合ANSI／IESNA IES-LM-80测试的建议。

任何其他的测试排列，只要保证温度均匀的介质包围LED，也适用于K系数校准。

LED阵列的总体K系数是

K系数计算如下：

其中

∆Tcal是在校准过程中，施加温度控制校准的环境下，TA环境温度的总变化：∆Tcal = TA-Hi – TA-Lo； ∆VF-cal是在TA-Hi和TA-Lo（见JESD51-1的方程式（9））温度时正向电压读数的差值。

K系数校准时应遵守以下建议：

○ 为了避免污染LED器件的透镜，必须避免使用液体（油）浴作为温度控制测试环境。相反，例如，

MCPCB安装的LED组件应安装到具有精确的温度控制的冷板上，并应保证，LED器件周围的空

气温度必须与冷板的温度相同。可以使用烤箱或温控室（类似于ANSI／IESNA IES-LM-80中光通

维持率测试所使用的），限制如下：壳体（散热片）的温度控制的准确性应至少为0.5°C，因为

这是根据JESD51-1的建议得出的。图14所示为温控室的示例，其中可以执行多个LED的K系数校

准。

○ 应按照如下确定温度稳定性：如果环境温度的变化低于0.5°C超过5分钟，而且结的正向电压已经

稳定2分钟，那么正在校准的LED的温度被认为是稳定的。如果是单结式LED器件，结的正向电

压可以认为是稳定的。如果在2分钟的时间窗口内正向电压的变化低于1mV，这大致对应于0.5°C的结温变化。如果是串联连接多个LED pn结的LED器件，此正向电压的变化限制应根据串联连接

的结数量增加。必须记录实际环境温度（非设定点），因为这些值应被用来计算用于方程式（28）中的∆Tcal。

LED 周围的空气温度 TA 必须等于散热器的温度

LED 壳体的温度受到热流的主动控制


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○ 温度控制校准室的环境温度TA的总温度变化应为50°C（如JESD51-1规定）或在现实生活的应用

中被测LED所预测的环境温度变化，取两者中的较大值。

图15–进行实际热测试时建议使用与K系数校准相同的IM电流源和相同的电压测量装置

正如之前所建议的，为确保尽可能高的整体测量精度，建议如下（参见图13和图15）：

● 在K系数校准和实际测量时使用相同的测量电流源，

● 在K系数校准和实际测量时使用相同的电压表，

● 测量TSP电压（正向电压）的变化的，首选差分模式，以消除电压测量装置的偏移误差。

由于具有相同的电流源提供IM测量，保证了热测试时LED的SVF温度敏感性与K系数校准时相同使用

相同的电压表，可以确保电压表的偏移误差和刻度误差与确定的结温变化的值抵消，因为

其中

∆VF-meas是测量的正向电压的变化，作为对耗散功率的∆PH变化的响应。使用图7的符号，∆VF-meas = VFf – Vfi。

校准的温度范围∆Tcal，应根据环境温度的记录值计算得出，实际上在温度控制校准环境下便能达成。

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