LED結溫測量方法*

饒豐 葛志晨

(1.鎮(zhèn)江出入境檢驗檢疫局 江蘇鎮(zhèn)江 212000;2.江蘇檢驗檢疫車燈檢測實驗室，江蘇丹陽 212300)

1 引言

半導體發(fā)光二極管 (Light-Emitting Diode，LED)是利用半導體PN結把電能轉(zhuǎn)化為光能的器件。它耗能少，穩(wěn)定性高，響應時間短，無環(huán)境污染，必將成為新一代高效節(jié)能的照明光源［1～3］。

由于LED的空穴和電子相對運動，一部分能量產(chǎn)生有效的光電效應，發(fā)出光子;而另一部分是以發(fā)熱的形式消耗掉了。目前LED的發(fā)光效率較低，絕大多數(shù)能量以熱量的形式耗散了，因此，當電流通過PN結時，結溫會升高，結溫的變化必然導致器件微觀參數(shù)的變化，如電子－空穴的濃度，禁帶的寬帶，電子遷移率等，從而使得器件的宏觀特性發(fā)生變化，甚至使LED失效［4］。因此，準確測量LED結溫，對于大功率LED燈具設計，LED失效性和可靠性分析等具有重要的意義。

對于結溫測量方法，已經(jīng)有不少報道，主要有:正向電壓法［5］、熱阻法［6］、峰值波長法［7］、藍白比法［8］，紅外攝像法［9］，相對輻射度法［10］和有限元計算法［11］。但是目前的報道多為一種測量方法的介紹或測量結果分析，鮮有這幾種方法的綜合報道。本文就測量LED結溫的方法進行了全面的介紹，給出了不同測試方法的原理，測試步驟，優(yōu)缺點。

1 接觸式測量法

接觸式測量法是指測試過程中需要接觸到LED引腳的測試方法，該方法的核心是測量LED的電學參數(shù)，然后通過LED電熱特性，計算出結溫。

1.1 正向電壓法

正向電壓法是利用LED的PN結電輸運的溫度效應，通過測量工作電流下的正向電壓來測算結溫［5］。實驗表明，在恒定電流驅(qū)動下，LED兩端電壓隨結溫線性變化，即:

式中，UF(T2)，UF(T1)——結溫在 T2，T1時的 LED正向壓降;

K——電壓－溫度系數(shù)，一般地，對于AlInGaP和InGaN這兩種發(fā)光材料，其K值約為－2mV/℃。

目前，正向電壓法被認為是最精確的結溫測量方法。其測試過程如下:

(1)K值的測量。這是結溫定量測量的關鍵，目的是要得到LED器件的溫度－電壓特性。具體方法是，在選定定標電流Is后，保持器件的PN結處于不同的恒定溫度場中，測量不同結溫下器件正向電壓，計算出K。公式為:

式中:U'2，U'1——環(huán)境溫度為 T'2，T'1時 LED 的結電壓。

測量時，一般要求T'2，T'1相差50℃以上，一般地，Is不大于1%的額定電流，建議取100μA到5mA．

(2)電壓的測量。首先，在標定電流Is下，測量LED兩端的電壓UF(T1)，由于Is很小，對LED的加熱也很少，可以認為T1等于環(huán)境溫度。然后，在工作溫度下，將LED通電保持工作狀態(tài)，達到熱平衡時，斷電使LED脫離工作狀態(tài)，在10－5內(nèi)接通定標電流，并測量正向電壓UF(T2)。

(3)結溫計算。根據(jù)公式 (1)，計算出LED工作時的結溫T2。

1.2 熱阻法

該方法也叫做微電偶接觸測量法［6］。當驅(qū)動電流改變時，正向電壓與結溫不再成線性關系，因此正向電壓法就不再適用。但LED芯片到管腳的熱阻Rθjp一般為恒定值，因此，可用下面的公式計算結溫:

式中Tj——LED芯片的結溫;

Tp——LED 管腳溫度;

Pj——LED消耗的電功率。

因此，只要知道LED的熱阻，我們可用微電偶測量管腳的溫度Tp，然后結合LED的功率，就可以得到結溫。

QB/T 4057—2010《普通照明用發(fā)光二極管 性能要求》和EIA/JESD 51—1《集成電路熱測量方法－電學測試方法 (半導體單晶粒元件)》均給出熱阻測量方法，具體內(nèi)容是:在恒定電流下，用電壓法測得結溫，然后微電偶測量管腳的溫度Tp，兩者相減后除以注入功率得到熱阻。公式為:

實際試驗中，一般要求結溫比管腳溫度差大于50℃。

2 非接觸式測量法

接觸式結溫測量需要接觸被測LED的引腳．但對于封裝好的LED模塊，通常無法接觸到單個LED的引腳，接觸法無法應用，這時，非接觸式結溫測量法應運而生。

非接觸法又分成三類，第一類是測量LED的光譜特性，根據(jù)光譜與結溫的關系，推算出結溫，包括峰值波長法，藍白比法，相對輻射強度法。第二類是用紅外測溫儀直接測量，最后一種是有限元計算法。

2.1 峰值波長法

LED的發(fā)光機理是載流子帶間復合，其輻射峰值波長λp與禁帶寬度Eg成反比，即:

對于某些LED，結溫升高時，材料的禁帶寬度將減少，因此LED輻射的峰值波長變長，顏色紅移，峰值波長法就是運用該特性來測量結溫的。

2004年，Hong等人通過實驗證實，AlGaInP基紅色LED的峰值波長與結溫具有良好的線性關系，這樣，可以先測量峰值波長隨結溫的變化率，然后結合環(huán)境溫度和波長的變化量，就可以計算出結溫，計算公式如下:

式中，Ta——參考結溫溫度;

Kp——峰值波長－結溫系數(shù)。

有意義的是，對于同一批LED，Kp差別很小，因此只需測量一只LED的Kp值就可以代表整批LED了。結溫測量步驟是:

(1)測量Kp，在恒定電流下，測量不同環(huán)境溫T0，T1下的峰值波長λ0，λ1，然后計算出Kp。公式為:

(2)測量LED工作時的峰值波長和環(huán)境溫度，并結合參考結溫Ta下的峰值波長，計算出結溫。Ta一般也是環(huán)境溫度，而參考峰值波長一般為在小電流下 (小于額定電流1%的電流驅(qū)動)，LED的峰值波長。

問題是，由于結溫升高引起的峰值波長漂移并不大，當升高10℃時，峰值波長改變約1.4nm左右，這樣，測試時必會給測試結果帶來不小的誤差，若采用高精度的光譜儀，則會大大增加測試成本。并且，并非所有LED峰值波長均隨溫度線性變化，如GaN基藍光LED，峰值波長隨結溫先減小后增大［8］，這樣，該方法就不適用。

2.2 藍白比法

在恒定驅(qū)動電流下，隨著結溫升高，藍光LED芯片不僅正向電壓降低，而且內(nèi)量子效率的降低，導致發(fā)光效率和發(fā)光強度降低。另外，結溫升高會導致藍光部分的峰值波長紅移。由于藍光峰的紅移，熒光粉 (YAG:Ce)的有效激發(fā)效率降低了。熒光粉發(fā)光強度的降低除了來自于藍光強度的降低，而且隨著溫度的升高，熒光粉的光轉(zhuǎn)化效率也在減小，所以熒光粉發(fā)光的減弱比藍光更顯著。也就是說，芯片的藍光發(fā)光與熒光粉發(fā)光隨結溫變化的不一致，

藍白比法正是利用這種特性來確定結溫。定義W為光譜中整個白光的功率，B為藍光部分的功率，那么比值R=W/B應該是結溫的函數(shù)。研究表明:R與結溫較好的線性關系。而且對于同一批白光LED，雖然線性關系直線的截距不同，但是直線的斜率是近似相等的。因此，可以通過測量LED光譜算得R值，然后用下面的公式得到結溫:

式中:Kγ——LED的結溫－藍白比系數(shù)。測試過程同峰值波長法類似:

(1)測量Kγ，在恒定電流下，測量不同環(huán)境溫度T0和T1下的峰值波長，然后擬合出Kγ。

式中，R0，R1——結溫為T0和T1時LED的藍白比。

(2)測量LED工作時的藍白比，結合結溫為TJ0時的藍白比，按公式 (7)計算出結溫。一般地，TJ0為環(huán)境溫度，而R0為小電流驅(qū)動時的藍白比。

缺點是，該方法僅適用于InGaN+YAG白光LED，對于其他LED，如RGB三基色混合白色LED和單色LED，該方法就不適用了。

2.3 相對輻射強度法

研究表明:在恒流源驅(qū)動LED時，相對輻射強度隨著結溫升高而線性下降，因此，可以基于相對輻射強度測量LED的結溫。其公式形式與其他非接觸法類型，為:

式中，KI——LED的結溫－相對強度系數(shù);

T0——參考溫度;

I0——參考相對輻射強度。

測試過程如下:

(1)KI定標。

在選定定標電流I后，保持LED陣列的PN結處于恒定溫度場中 (由恒溫箱控制)，測量不同環(huán)境溫度下LED陣列的相對輻射強度值，然后計算出KI，公式:

(2)結溫計算

實測LED穩(wěn)定發(fā)光時的相對輻射強度，然后代入公式 (9)，其中，T0一般為環(huán)境溫度，而I0一般為小電流驅(qū)動時LED的相對輻射強度，計算得到結溫。

2.4 紅外攝像法

紅外攝像法是紅外測溫儀測量半導體器件結溫分布的方法。

在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外線，同時，物體的紅外輻射能量及其光譜與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎。

紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾娦盘枴Ｔ撔盘柦?jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)置的算法和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的溫度值。

該方法測量LED結溫，成本較高，而且要求被測器件必須是未封裝或開封的狀態(tài)。同時，由于芯片不同層次熱紅外信息互相干擾形成噪聲，該方法也無法準確感應內(nèi)部有源層溫度［9］，因此，測試結果有較大的誤差。

2.5 有限元法

用有限元法計算結溫時，需作如下假設 :①LED芯片是平面均勻熱源 ;②環(huán)境溫度和LED的初始溫度為恒定值;③忽略熱輻射效應;④芯片產(chǎn)生的熱功率恒定，與外界的熱對流系數(shù)恒定;⑤器件的外表面與周圍空氣的對流換熱系數(shù) h為常數(shù)，周圍空氣的溫度tf為常數(shù)。那么，邊界滿足的條件為:

C——導熱系數(shù);

tw——邊界處的溫度。當系統(tǒng)的溫度場不隨時間變化，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量，系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在熱穩(wěn)態(tài)分析中任意節(jié)點的溫度不隨時間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為:(以矩陣形式表示)

式中:［K］——傳導矩陣，包含熱導率、對流系數(shù)、輻射率和形狀系數(shù);

{T}——節(jié)點溫度向量;

{Q}——節(jié)點熱流率向量，包含熱生成。

軟件利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，生成 {K}、{T}、{Q}。這樣得到了各節(jié)點的溫度，當然包括PN結溫度。

缺點是，該方法是建立在5個假設的基礎上，而實際應用中，這5個假設不一定均成立，同時，該方法需要復雜的計算。

3 結論

結溫是LED光源特有的參數(shù)，結溫的高低，反映了PN結微結構的變化，而微結構的變化當然引起了LED的光電特性、壽命等性能的變化。因此，準確測量結溫，對LED燈具的科學設計和合理使用具有重要的意義。

目前，結溫測量方法有許多報道，本文分析了常用的7種方法，給出測試原理，關鍵步驟，優(yōu)缺點和適用范圍，這對LED的研究具有重要意義。

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