[論文レビュー] Electrical, thermal and optical characterization of power LED assemblies

A. Poppe, Gábor Farkas+1 more|ArXiv.org|Sep 12, 2007

Semiconductor Lasers and Optical DevicesEngineering参考文献 17被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、基板レベルの電気的・熱的シミュレーションと、独自の測定システムによる熱的および放射計測データの統合を組み合わせた、高出力LEDアセンブリの統合的電気的・熱的・光学的特性評価フレームワークを提示する。研究では、シミュレーションと実験結果の間に強い一致が確認され、本手法が高出力LED設計における接合温度および光学的性能の正確な評価に有効であることを検証した。

ABSTRACT

Besides their electrical properties the optical parameters of LEDs also depend on junction temperature. For this reason thermal characterization and thermal management play important role in case of power LEDs, necessitating both physical measurements and simulation tools. The focus of this paper is a combined electrical, thermal and optical characterization of power LED assemblies. In terms of simulation a method for board-level electro-thermal simulation is presented, for measurements a combined thermal and radiometric characterization system of power LEDs and LED assemblies is discussed. Comparison of measurement and simulation results is presented in a case study.

研究の動機と目的

• 高出力LEDにおける接合温度が光学的性能に与える顕著な影響を解明すること。
• LEDアセンブリの電気的・熱的・光学的特性を同時に特徴付ける包括的な手法を開発すること。
• シミュレーションと現実世界の測定結果のギャップを埋め、高出力LEDシステムにおける信頼性の高い熱管理を実現すること。
• 妥当性が確認されたモデルを用いて、さまざまな熱的条件下におけるLED性能の正確な予測を可能にすること。
• 統合的マルチドメイン特性評価を活用した、高出力LEDパッケージの設計最適化を支援すること。

提案手法

• 基板レベルの電気的・熱的シミュレーション手法を提案し、高出力LEDアセンブリの熱的挙動をモデル化すること。
• 高出力LEDの特性評価を目的とした、熱的および放射計測を統合した測定システムを設計・実装すること。
• 測定システムからの実験データを用いて、シミュレーション結果の妥当性を検証すること。
• 電気的・熱的・光学的データを統合した一貫性のある特性評価フレームワークに統合すること。
• ケーススタディを実施し、シミュレートされた接合温度と測定された接合温度、および光学出力を比較すること。
• 測定精度を確保するため、熱抵抗法および放射計測キャリブレーション技術を活用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 接合温度が高出力LEDの光学出力および電気的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 基板レベルの電気的・熱的シミュレーションは、高出力LEDアセンブリの熱的挙動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 統合された熱的および放射計測測定システムは、LED特性評価に信頼性があり再現性のあるデータを提供できるか？
• RQ4 実際のLEDアセンブリにおいて、シミュレーションと測定された接合温度の一致度はどの程度か？
• RQ5 統合的電気的・熱的・光学的特性評価は、高出力LEDシステムの熱管理および信頼性をどのように向上させ得るか？

主な発見

• 接合温度は、高出力LEDの光学的出力および電気的挙動に顕著な影響を与える。
• 基板レベルの電気的・熱的シミュレーション手法は、LEDアセンブリ内の熱勾配および接合温度を正確に予測できる。
• 統合された測定システムにより、熱的および放射計測データの高精度かつ同時取得が可能となった。
• ケーススタディにおいて、シミュレーションと測定された接合温度の間で強い相関が観察された。
• 統合的特性評価アプローチにより、さまざまな熱的条件下における光学的性能の信頼性の高い予測が可能となった。
• 実験データによるシミュレーションの妥当性検証から、本手法が高出力LED応用分野における熱設計最適化に適していることが確認された。