LED芯片結(jié)溫測(cè)試與熱成像技術(shù)分析

摘 要：本文以LED為研究對(duì)象，以電學(xué)測(cè)量法測(cè)試LED芯片結(jié)溫，分析加熱電流對(duì)結(jié)溫的影響。初步探討采用紅外熱成像技術(shù)分析LED溫度進(jìn)而推算LED芯片結(jié)溫的可行性。結(jié)果表明LED樣品結(jié)溫大小與加熱電流變化近似線性，熱成像測(cè)得LED溫度數(shù)據(jù)與結(jié)溫變化規(guī)律較為一致。

關(guān)鍵詞：LED芯片 結(jié)溫測(cè)量 紅外熱成像

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（c）-0004-02

當(dāng)今時(shí)代，能源問題極其重要。在照明領(lǐng)域內(nèi)，發(fā)光二極管（light emitting diodes，LED）以其效率高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能等特點(diǎn)，成為新一代照明產(chǎn)品。LED的光學(xué)性能和電性能與LED內(nèi)部P-N結(jié)的溫度（即LED結(jié)溫）有著密切的內(nèi)在聯(lián)系。當(dāng)LED正常工作時(shí)，結(jié)溫逐漸增高，使得LED器件流子的復(fù)合效率降低，出射光子必然減弱，導(dǎo)致LED輸出光及照明品質(zhì)的下降。因此研究可靠、快速地測(cè)量LED結(jié)溫的方法成為光電照明工程研究的熱點(diǎn)。[1～2]

LED結(jié)溫測(cè)量的方法有多種，其中電學(xué)參數(shù)測(cè)量法是常用的一種。本文首先運(yùn)用此方法，以1 W單顆LED（6500 K冷白光）為研究對(duì)象，分析測(cè)試結(jié)溫與加熱電流的關(guān)系。此外，采用基于紅外測(cè)溫原理的紅外熱成像技術(shù)，在不破壞LED結(jié)構(gòu)、非接觸的前提下測(cè)試并獲取LED溫度峰值點(diǎn)和溫度圖像，分析LED紅外熱成像技術(shù)與電學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)溫這兩種測(cè)試方法之間是否具有某種聯(lián)系或變化規(guī)律。

1 測(cè)試設(shè)備及實(shí)驗(yàn)

電學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)溫所需設(shè)備及測(cè)試系統(tǒng)裝置如圖1所示。該套系統(tǒng)為浙江大學(xué)三色光電儀器SPR-300LED結(jié)溫測(cè)試系統(tǒng)，分別包括小型積分球（直徑為0.5 m）、LED-220T溫度控制儀、恒溫底座、驅(qū)動(dòng)電源、溫度反饋系統(tǒng)以及結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)處理軟件，圖1中的5所示為L(zhǎng)ED樣品在系統(tǒng)中的安裝位置，即位于積分球的內(nèi)側(cè)壁。

測(cè)試步驟：（1）樣品LED型號(hào)：美國(guó)普瑞B(yǎng)XCE4545450-F1-z的1 W（6500 K）貼片式LED，該樣品性能穩(wěn)定；（2）LED接通驅(qū)動(dòng)電源后，LED安裝在位于積分球側(cè)壁的恒溫底座上，背面緊貼底座，使溫度傳遞達(dá)到最理想狀態(tài)。把溫度控制儀、溫度反饋測(cè)試儀的探頭連接到恒溫基座上。實(shí)驗(yàn)時(shí)將電源設(shè)定為穩(wěn)流模式，調(diào)諧電流大小驅(qū)動(dòng)LED器件；底座的溫度測(cè)試儀實(shí)時(shí)采樣反饋溫度；（3）結(jié)溫測(cè)試系統(tǒng)完成設(shè)置后開始實(shí)驗(yàn)，先測(cè)量K系數(shù)值；（4）在其它實(shí)驗(yàn)條件不變的前提下，選取若干個(gè)特定加熱電流值，測(cè)得LED樣品的結(jié)溫，記錄相關(guān)測(cè)量結(jié)果。

2 加熱電流對(duì)結(jié)溫的影響

從原理上理解，結(jié)溫與加熱電流的關(guān)系非常密切。但兩者之間在數(shù)學(xué)上究竟屬于指數(shù)變化、線性變化、還是非線性變化的關(guān)聯(lián)，研究較少。我們?cè)诜治鼋Y(jié)溫與加熱電流的聯(lián)系時(shí)，將測(cè)試系統(tǒng)中的被測(cè)樣品的初始小電流設(shè)定為30 mA，將加熱時(shí)間設(shè)置為10 mins，其它溫度、濕度及連接方式等測(cè)試條件均保持不變。系統(tǒng)中設(shè)置加熱電流的數(shù)值從100 mA開始，依次以50 mA遞增，以此對(duì)樣品結(jié)溫進(jìn)行精密分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，獲得的結(jié)果如下：各加熱電流對(duì)應(yīng)的LED器件結(jié)溫分別為：100 mA-36.01 ℃、150 mA-44.75 ℃、200 mA-52.11 ℃、250 mA-62.01 ℃、300 mA-71.46 ℃、350 mA-81.71 ℃和400 mA-92.53 ℃。將數(shù)據(jù)繪制成LED結(jié)溫-加熱電流坐標(biāo)圖，得到圖2中的離散點(diǎn)。對(duì)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)依次運(yùn)用指數(shù)擬合、對(duì)數(shù)擬合、乘冪擬合、非線性擬合以及線性回歸擬合曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。結(jié)果如圖2中的擬合曲線所示：結(jié)溫在100 mA～400 mA范圍內(nèi)，一元線性回歸擬合曲線最符合離散數(shù)組的變化規(guī)律，即近似線性變化。圖2同時(shí)也給出了擬合曲線的線性公式Y(jié)=0.1877×X+16.006（其中X：加熱電流，Y：LED器件的結(jié)溫。）

我們分析結(jié)溫和加熱電流的關(guān)系，得到結(jié)果有：（1）不同的加熱電流，結(jié)溫并不是穩(wěn)定不變，而是相應(yīng)產(chǎn)生較大數(shù)值變化；（2）二者近似線性的數(shù)學(xué)關(guān)系，其表征的物理意義在于：加熱電流對(duì)LED的結(jié)溫具有定量可調(diào)諧功能，且可調(diào)電流范圍寬、調(diào)控幅度顯著。而LED的光通量、光效等性能指標(biāo)較大程度地依賴結(jié)溫，所以這一現(xiàn)象對(duì)于開發(fā)可調(diào)諧LED照明產(chǎn)品、顯示產(chǎn)品，以及合理延長(zhǎng)LED壽命、提升照明產(chǎn)品可靠性都具有重要意義。

3 紅外熱成像測(cè)試LED

紅外線熱成像技術(shù)是指通過紅外成像測(cè)量?jī)x測(cè)量物體輻射熱能的技術(shù)。物體的熱能或紅外線能量因其波長(zhǎng)過長(zhǎng)，無法被人眼感知，屬于不可見光。但熱能作為電磁頻譜的一部分，可被探測(cè)到熱度數(shù)據(jù)。物體溫度越高，即物體的熱輻射能量的越大，向外輻射的紅外線則越多。人們利用這一特點(diǎn)可以方便地進(jìn)行非接觸的溫度測(cè)量和熱狀態(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等方面提供重要的檢測(cè)和診斷工具。功能全面的紅外熱像儀則能掃描生成一幅原本并不可見的紅外輻射圖像，實(shí)現(xiàn)非接觸式的精準(zhǔn)無損測(cè)溫。

LED結(jié)溫是半導(dǎo)體發(fā)光二極管內(nèi)部P-N結(jié)的溫度，因其包含在LED內(nèi)部，顯然不能直接測(cè)量。因此，我們希望通過分析LED表面溫度變化，嘗試推知其結(jié)溫范圍和近似結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用手持式紅外熱成像儀，同步測(cè)試并記錄了不同加熱電流150 mA、250 mA、350 mA、450 mA條件下LED樣品的紅外熱成像圖（見圖3）及具體峰值溫度數(shù)據(jù)： 31.5℃，43.9℃，55.3℃，75.0℃。將本文第2、3部分電參數(shù)測(cè)量法所得結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)與紅外熱成像方法的LED溫度最大值進(jìn)行對(duì)比（見圖4）。圖中橫坐標(biāo)是加熱電流（mA），縱坐標(biāo)是溫度（℃），藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)為電參數(shù)測(cè)量法的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)為紅外熱成像采集的數(shù)據(jù)。

我們發(fā)現(xiàn)：相同條件下熱成像所測(cè)溫度值均低于LED結(jié)溫，但二者隨著加熱電流的增加而上升的規(guī)律較為接近，數(shù)據(jù)和規(guī)律具有關(guān)聯(lián)性。圖4還可得知，LED紅外熱成像的數(shù)據(jù)也符合近似線性，差異在于紅外熱成像溫度數(shù)據(jù)變化的斜率略小于電參數(shù)測(cè)試的結(jié)溫變化斜率，表明熱成像測(cè)得溫度增加較緩慢，沒有結(jié)溫的變化迅速。這可能是由于LED外部溫度受環(huán)境影響明顯，溫度越高時(shí)與環(huán)境溫差越大，熱傳遞更加迅速，從而數(shù)值變化沒有LED器件內(nèi)部的P-N結(jié)溫變化顯著。即便如此，兩組數(shù)據(jù)之間有望通過進(jìn)一步的分析計(jì)算找到數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。

4 結(jié)語

我們選取1 W LED樣品顆粒，用電學(xué)參數(shù)測(cè)量法分析了結(jié)溫及變化規(guī)律，并用紅外熱成像技術(shù)加以輔助分析，得到相關(guān)的數(shù)據(jù)和結(jié)論：（1）樣品LED結(jié)溫大小并不是固定值，而是與加熱電流密切相關(guān)，結(jié)溫與加熱電流數(shù)據(jù)經(jīng)擬合分析符合近似線性規(guī)律；（2）物理意義上，證明了加熱電流對(duì)LED結(jié)溫具有調(diào)諧功能；（3）紅外熱成像技術(shù)測(cè)得LED溫度數(shù)據(jù)符合LED結(jié)溫變化規(guī)律，二者數(shù)據(jù)具有一定的關(guān)聯(lián)；（4）初步論證了非接觸測(cè)量與診斷LED結(jié)溫的可行性，接下來可進(jìn)一步研究?jī)烧咧g的修正函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)以非接觸無損測(cè)量的方法精密可靠地分析LED結(jié)溫。LED將越來越廣泛地應(yīng)用，科研檢測(cè)機(jī)構(gòu)以多種分析手段來全面研究LED指標(biāo)，更加快速準(zhǔn)確地掌握LED的性能，對(duì)于充分發(fā)揮LED新一代照明的功能必將起到非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] HELIOTOTIS G，Spectral conversion of InGaN ultraviolet microcavity light emitting diodes using fluonne based red，green，blue and white lighe emitting polymer overlayer films [J].Appl，Phys，Lett，2005，87：503-505.

[2] 蔡怡，朱騰飛，張俊.一種小型分布式光色度計(jì)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2012，34（3）：27～32.endprint

摘 要：本文以LED為研究對(duì)象，以電學(xué)測(cè)量法測(cè)試LED芯片結(jié)溫，分析加熱電流對(duì)結(jié)溫的影響。初步探討采用紅外熱成像技術(shù)分析LED溫度進(jìn)而推算LED芯片結(jié)溫的可行性。結(jié)果表明LED樣品結(jié)溫大小與加熱電流變化近似線性，熱成像測(cè)得LED溫度數(shù)據(jù)與結(jié)溫變化規(guī)律較為一致。

關(guān)鍵詞：LED芯片 結(jié)溫測(cè)量 紅外熱成像

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（c）-0004-02

當(dāng)今時(shí)代，能源問題極其重要。在照明領(lǐng)域內(nèi)，發(fā)光二極管（light emitting diodes，LED）以其效率高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能等特點(diǎn)，成為新一代照明產(chǎn)品。LED的光學(xué)性能和電性能與LED內(nèi)部P-N結(jié)的溫度（即LED結(jié)溫）有著密切的內(nèi)在聯(lián)系。當(dāng)LED正常工作時(shí)，結(jié)溫逐漸增高，使得LED器件流子的復(fù)合效率降低，出射光子必然減弱，導(dǎo)致LED輸出光及照明品質(zhì)的下降。因此研究可靠、快速地測(cè)量LED結(jié)溫的方法成為光電照明工程研究的熱點(diǎn)。[1～2]

LED結(jié)溫測(cè)量的方法有多種，其中電學(xué)參數(shù)測(cè)量法是常用的一種。本文首先運(yùn)用此方法，以1 W單顆LED（6500 K冷白光）為研究對(duì)象，分析測(cè)試結(jié)溫與加熱電流的關(guān)系。此外，采用基于紅外測(cè)溫原理的紅外熱成像技術(shù)，在不破壞LED結(jié)構(gòu)、非接觸的前提下測(cè)試并獲取LED溫度峰值點(diǎn)和溫度圖像，分析LED紅外熱成像技術(shù)與電學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)溫這兩種測(cè)試方法之間是否具有某種聯(lián)系或變化規(guī)律。

1 測(cè)試設(shè)備及實(shí)驗(yàn)

電學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)溫所需設(shè)備及測(cè)試系統(tǒng)裝置如圖1所示。該套系統(tǒng)為浙江大學(xué)三色光電儀器SPR-300LED結(jié)溫測(cè)試系統(tǒng)，分別包括小型積分球（直徑為0.5 m）、LED-220T溫度控制儀、恒溫底座、驅(qū)動(dòng)電源、溫度反饋系統(tǒng)以及結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)處理軟件，圖1中的5所示為L(zhǎng)ED樣品在系統(tǒng)中的安裝位置，即位于積分球的內(nèi)側(cè)壁。

測(cè)試步驟：（1）樣品LED型號(hào)：美國(guó)普瑞B(yǎng)XCE4545450-F1-z的1 W（6500 K）貼片式LED，該樣品性能穩(wěn)定；（2）LED接通驅(qū)動(dòng)電源后，LED安裝在位于積分球側(cè)壁的恒溫底座上，背面緊貼底座，使溫度傳遞達(dá)到最理想狀態(tài)。把溫度控制儀、溫度反饋測(cè)試儀的探頭連接到恒溫基座上。實(shí)驗(yàn)時(shí)將電源設(shè)定為穩(wěn)流模式，調(diào)諧電流大小驅(qū)動(dòng)LED器件；底座的溫度測(cè)試儀實(shí)時(shí)采樣反饋溫度；（3）結(jié)溫測(cè)試系統(tǒng)完成設(shè)置后開始實(shí)驗(yàn)，先測(cè)量K系數(shù)值；（4）在其它實(shí)驗(yàn)條件不變的前提下，選取若干個(gè)特定加熱電流值，測(cè)得LED樣品的結(jié)溫，記錄相關(guān)測(cè)量結(jié)果。

2 加熱電流對(duì)結(jié)溫的影響

從原理上理解，結(jié)溫與加熱電流的關(guān)系非常密切。但兩者之間在數(shù)學(xué)上究竟屬于指數(shù)變化、線性變化、還是非線性變化的關(guān)聯(lián)，研究較少。我們?cè)诜治鼋Y(jié)溫與加熱電流的聯(lián)系時(shí)，將測(cè)試系統(tǒng)中的被測(cè)樣品的初始小電流設(shè)定為30 mA，將加熱時(shí)間設(shè)置為10 mins，其它溫度、濕度及連接方式等測(cè)試條件均保持不變。系統(tǒng)中設(shè)置加熱電流的數(shù)值從100 mA開始，依次以50 mA遞增，以此對(duì)樣品結(jié)溫進(jìn)行精密分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，獲得的結(jié)果如下：各加熱電流對(duì)應(yīng)的LED器件結(jié)溫分別為：100 mA-36.01 ℃、150 mA-44.75 ℃、200 mA-52.11 ℃、250 mA-62.01 ℃、300 mA-71.46 ℃、350 mA-81.71 ℃和400 mA-92.53 ℃。將數(shù)據(jù)繪制成LED結(jié)溫-加熱電流坐標(biāo)圖，得到圖2中的離散點(diǎn)。對(duì)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)依次運(yùn)用指數(shù)擬合、對(duì)數(shù)擬合、乘冪擬合、非線性擬合以及線性回歸擬合曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。結(jié)果如圖2中的擬合曲線所示：結(jié)溫在100 mA～400 mA范圍內(nèi)，一元線性回歸擬合曲線最符合離散數(shù)組的變化規(guī)律，即近似線性變化。圖2同時(shí)也給出了擬合曲線的線性公式Y(jié)=0.1877×X+16.006（其中X：加熱電流，Y：LED器件的結(jié)溫。）

我們分析結(jié)溫和加熱電流的關(guān)系，得到結(jié)果有：（1）不同的加熱電流，結(jié)溫并不是穩(wěn)定不變，而是相應(yīng)產(chǎn)生較大數(shù)值變化；（2）二者近似線性的數(shù)學(xué)關(guān)系，其表征的物理意義在于：加熱電流對(duì)LED的結(jié)溫具有定量可調(diào)諧功能，且可調(diào)電流范圍寬、調(diào)控幅度顯著。而LED的光通量、光效等性能指標(biāo)較大程度地依賴結(jié)溫，所以這一現(xiàn)象對(duì)于開發(fā)可調(diào)諧LED照明產(chǎn)品、顯示產(chǎn)品，以及合理延長(zhǎng)LED壽命、提升照明產(chǎn)品可靠性都具有重要意義。

3 紅外熱成像測(cè)試LED

紅外線熱成像技術(shù)是指通過紅外成像測(cè)量?jī)x測(cè)量物體輻射熱能的技術(shù)。物體的熱能或紅外線能量因其波長(zhǎng)過長(zhǎng)，無法被人眼感知，屬于不可見光。但熱能作為電磁頻譜的一部分，可被探測(cè)到熱度數(shù)據(jù)。物體溫度越高，即物體的熱輻射能量的越大，向外輻射的紅外線則越多。人們利用這一特點(diǎn)可以方便地進(jìn)行非接觸的溫度測(cè)量和熱狀態(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等方面提供重要的檢測(cè)和診斷工具。功能全面的紅外熱像儀則能掃描生成一幅原本并不可見的紅外輻射圖像，實(shí)現(xiàn)非接觸式的精準(zhǔn)無損測(cè)溫。

LED結(jié)溫是半導(dǎo)體發(fā)光二極管內(nèi)部P-N結(jié)的溫度，因其包含在LED內(nèi)部，顯然不能直接測(cè)量。因此，我們希望通過分析LED表面溫度變化，嘗試推知其結(jié)溫范圍和近似結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用手持式紅外熱成像儀，同步測(cè)試并記錄了不同加熱電流150 mA、250 mA、350 mA、450 mA條件下LED樣品的紅外熱成像圖（見圖3）及具體峰值溫度數(shù)據(jù)： 31.5℃，43.9℃，55.3℃，75.0℃。將本文第2、3部分電參數(shù)測(cè)量法所得結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)與紅外熱成像方法的LED溫度最大值進(jìn)行對(duì)比（見圖4）。圖中橫坐標(biāo)是加熱電流（mA），縱坐標(biāo)是溫度（℃），藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)為電參數(shù)測(cè)量法的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)為紅外熱成像采集的數(shù)據(jù)。

我們發(fā)現(xiàn)：相同條件下熱成像所測(cè)溫度值均低于LED結(jié)溫，但二者隨著加熱電流的增加而上升的規(guī)律較為接近，數(shù)據(jù)和規(guī)律具有關(guān)聯(lián)性。圖4還可得知，LED紅外熱成像的數(shù)據(jù)也符合近似線性，差異在于紅外熱成像溫度數(shù)據(jù)變化的斜率略小于電參數(shù)測(cè)試的結(jié)溫變化斜率，表明熱成像測(cè)得溫度增加較緩慢，沒有結(jié)溫的變化迅速。這可能是由于LED外部溫度受環(huán)境影響明顯，溫度越高時(shí)與環(huán)境溫差越大，熱傳遞更加迅速，從而數(shù)值變化沒有LED器件內(nèi)部的P-N結(jié)溫變化顯著。即便如此，兩組數(shù)據(jù)之間有望通過進(jìn)一步的分析計(jì)算找到數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。

4 結(jié)語

我們選取1 W LED樣品顆粒，用電學(xué)參數(shù)測(cè)量法分析了結(jié)溫及變化規(guī)律，并用紅外熱成像技術(shù)加以輔助分析，得到相關(guān)的數(shù)據(jù)和結(jié)論：（1）樣品LED結(jié)溫大小并不是固定值，而是與加熱電流密切相關(guān)，結(jié)溫與加熱電流數(shù)據(jù)經(jīng)擬合分析符合近似線性規(guī)律；（2）物理意義上，證明了加熱電流對(duì)LED結(jié)溫具有調(diào)諧功能；（3）紅外熱成像技術(shù)測(cè)得LED溫度數(shù)據(jù)符合LED結(jié)溫變化規(guī)律，二者數(shù)據(jù)具有一定的關(guān)聯(lián)；（4）初步論證了非接觸測(cè)量與診斷LED結(jié)溫的可行性，接下來可進(jìn)一步研究?jī)烧咧g的修正函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)以非接觸無損測(cè)量的方法精密可靠地分析LED結(jié)溫。LED將越來越廣泛地應(yīng)用，科研檢測(cè)機(jī)構(gòu)以多種分析手段來全面研究LED指標(biāo)，更加快速準(zhǔn)確地掌握LED的性能，對(duì)于充分發(fā)揮LED新一代照明的功能必將起到非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] HELIOTOTIS G，Spectral conversion of InGaN ultraviolet microcavity light emitting diodes using fluonne based red，green，blue and white lighe emitting polymer overlayer films [J].Appl，Phys，Lett，2005，87：503-505.

[2] 蔡怡，朱騰飛，張俊.一種小型分布式光色度計(jì)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2012，34（3）：27～32.endprint

摘 要：本文以LED為研究對(duì)象，以電學(xué)測(cè)量法測(cè)試LED芯片結(jié)溫，分析加熱電流對(duì)結(jié)溫的影響。初步探討采用紅外熱成像技術(shù)分析LED溫度進(jìn)而推算LED芯片結(jié)溫的可行性。結(jié)果表明LED樣品結(jié)溫大小與加熱電流變化近似線性，熱成像測(cè)得LED溫度數(shù)據(jù)與結(jié)溫變化規(guī)律較為一致。

關(guān)鍵詞：LED芯片 結(jié)溫測(cè)量 紅外熱成像

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（c）-0004-02

當(dāng)今時(shí)代，能源問題極其重要。在照明領(lǐng)域內(nèi)，發(fā)光二極管（light emitting diodes，LED）以其效率高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能等特點(diǎn)，成為新一代照明產(chǎn)品。LED的光學(xué)性能和電性能與LED內(nèi)部P-N結(jié)的溫度（即LED結(jié)溫）有著密切的內(nèi)在聯(lián)系。當(dāng)LED正常工作時(shí)，結(jié)溫逐漸增高，使得LED器件流子的復(fù)合效率降低，出射光子必然減弱，導(dǎo)致LED輸出光及照明品質(zhì)的下降。因此研究可靠、快速地測(cè)量LED結(jié)溫的方法成為光電照明工程研究的熱點(diǎn)。[1～2]

LED結(jié)溫測(cè)量的方法有多種，其中電學(xué)參數(shù)測(cè)量法是常用的一種。本文首先運(yùn)用此方法，以1 W單顆LED（6500 K冷白光）為研究對(duì)象，分析測(cè)試結(jié)溫與加熱電流的關(guān)系。此外，采用基于紅外測(cè)溫原理的紅外熱成像技術(shù)，在不破壞LED結(jié)構(gòu)、非接觸的前提下測(cè)試并獲取LED溫度峰值點(diǎn)和溫度圖像，分析LED紅外熱成像技術(shù)與電學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)溫這兩種測(cè)試方法之間是否具有某種聯(lián)系或變化規(guī)律。

1 測(cè)試設(shè)備及實(shí)驗(yàn)

電學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)溫所需設(shè)備及測(cè)試系統(tǒng)裝置如圖1所示。該套系統(tǒng)為浙江大學(xué)三色光電儀器SPR-300LED結(jié)溫測(cè)試系統(tǒng)，分別包括小型積分球（直徑為0.5 m）、LED-220T溫度控制儀、恒溫底座、驅(qū)動(dòng)電源、溫度反饋系統(tǒng)以及結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)處理軟件，圖1中的5所示為L(zhǎng)ED樣品在系統(tǒng)中的安裝位置，即位于積分球的內(nèi)側(cè)壁。

測(cè)試步驟：（1）樣品LED型號(hào)：美國(guó)普瑞B(yǎng)XCE4545450-F1-z的1 W（6500 K）貼片式LED，該樣品性能穩(wěn)定；（2）LED接通驅(qū)動(dòng)電源后，LED安裝在位于積分球側(cè)壁的恒溫底座上，背面緊貼底座，使溫度傳遞達(dá)到最理想狀態(tài)。把溫度控制儀、溫度反饋測(cè)試儀的探頭連接到恒溫基座上。實(shí)驗(yàn)時(shí)將電源設(shè)定為穩(wěn)流模式，調(diào)諧電流大小驅(qū)動(dòng)LED器件；底座的溫度測(cè)試儀實(shí)時(shí)采樣反饋溫度；（3）結(jié)溫測(cè)試系統(tǒng)完成設(shè)置后開始實(shí)驗(yàn)，先測(cè)量K系數(shù)值；（4）在其它實(shí)驗(yàn)條件不變的前提下，選取若干個(gè)特定加熱電流值，測(cè)得LED樣品的結(jié)溫，記錄相關(guān)測(cè)量結(jié)果。

2 加熱電流對(duì)結(jié)溫的影響

從原理上理解，結(jié)溫與加熱電流的關(guān)系非常密切。但兩者之間在數(shù)學(xué)上究竟屬于指數(shù)變化、線性變化、還是非線性變化的關(guān)聯(lián)，研究較少。我們?cè)诜治鼋Y(jié)溫與加熱電流的聯(lián)系時(shí)，將測(cè)試系統(tǒng)中的被測(cè)樣品的初始小電流設(shè)定為30 mA，將加熱時(shí)間設(shè)置為10 mins，其它溫度、濕度及連接方式等測(cè)試條件均保持不變。系統(tǒng)中設(shè)置加熱電流的數(shù)值從100 mA開始，依次以50 mA遞增，以此對(duì)樣品結(jié)溫進(jìn)行精密分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，獲得的結(jié)果如下：各加熱電流對(duì)應(yīng)的LED器件結(jié)溫分別為：100 mA-36.01 ℃、150 mA-44.75 ℃、200 mA-52.11 ℃、250 mA-62.01 ℃、300 mA-71.46 ℃、350 mA-81.71 ℃和400 mA-92.53 ℃。將數(shù)據(jù)繪制成LED結(jié)溫-加熱電流坐標(biāo)圖，得到圖2中的離散點(diǎn)。對(duì)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)依次運(yùn)用指數(shù)擬合、對(duì)數(shù)擬合、乘冪擬合、非線性擬合以及線性回歸擬合曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。結(jié)果如圖2中的擬合曲線所示：結(jié)溫在100 mA～400 mA范圍內(nèi)，一元線性回歸擬合曲線最符合離散數(shù)組的變化規(guī)律，即近似線性變化。圖2同時(shí)也給出了擬合曲線的線性公式Y(jié)=0.1877×X+16.006（其中X：加熱電流，Y：LED器件的結(jié)溫。）

我們分析結(jié)溫和加熱電流的關(guān)系，得到結(jié)果有：（1）不同的加熱電流，結(jié)溫并不是穩(wěn)定不變，而是相應(yīng)產(chǎn)生較大數(shù)值變化；（2）二者近似線性的數(shù)學(xué)關(guān)系，其表征的物理意義在于：加熱電流對(duì)LED的結(jié)溫具有定量可調(diào)諧功能，且可調(diào)電流范圍寬、調(diào)控幅度顯著。而LED的光通量、光效等性能指標(biāo)較大程度地依賴結(jié)溫，所以這一現(xiàn)象對(duì)于開發(fā)可調(diào)諧LED照明產(chǎn)品、顯示產(chǎn)品，以及合理延長(zhǎng)LED壽命、提升照明產(chǎn)品可靠性都具有重要意義。

3 紅外熱成像測(cè)試LED

紅外線熱成像技術(shù)是指通過紅外成像測(cè)量?jī)x測(cè)量物體輻射熱能的技術(shù)。物體的熱能或紅外線能量因其波長(zhǎng)過長(zhǎng)，無法被人眼感知，屬于不可見光。但熱能作為電磁頻譜的一部分，可被探測(cè)到熱度數(shù)據(jù)。物體溫度越高，即物體的熱輻射能量的越大，向外輻射的紅外線則越多。人們利用這一特點(diǎn)可以方便地進(jìn)行非接觸的溫度測(cè)量和熱狀態(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等方面提供重要的檢測(cè)和診斷工具。功能全面的紅外熱像儀則能掃描生成一幅原本并不可見的紅外輻射圖像，實(shí)現(xiàn)非接觸式的精準(zhǔn)無損測(cè)溫。

LED結(jié)溫是半導(dǎo)體發(fā)光二極管內(nèi)部P-N結(jié)的溫度，因其包含在LED內(nèi)部，顯然不能直接測(cè)量。因此，我們希望通過分析LED表面溫度變化，嘗試推知其結(jié)溫范圍和近似結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用手持式紅外熱成像儀，同步測(cè)試并記錄了不同加熱電流150 mA、250 mA、350 mA、450 mA條件下LED樣品的紅外熱成像圖（見圖3）及具體峰值溫度數(shù)據(jù)： 31.5℃，43.9℃，55.3℃，75.0℃。將本文第2、3部分電參數(shù)測(cè)量法所得結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)與紅外熱成像方法的LED溫度最大值進(jìn)行對(duì)比（見圖4）。圖中橫坐標(biāo)是加熱電流（mA），縱坐標(biāo)是溫度（℃），藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)為電參數(shù)測(cè)量法的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)為紅外熱成像采集的數(shù)據(jù)。

我們發(fā)現(xiàn)：相同條件下熱成像所測(cè)溫度值均低于LED結(jié)溫，但二者隨著加熱電流的增加而上升的規(guī)律較為接近，數(shù)據(jù)和規(guī)律具有關(guān)聯(lián)性。圖4還可得知，LED紅外熱成像的數(shù)據(jù)也符合近似線性，差異在于紅外熱成像溫度數(shù)據(jù)變化的斜率略小于電參數(shù)測(cè)試的結(jié)溫變化斜率，表明熱成像測(cè)得溫度增加較緩慢，沒有結(jié)溫的變化迅速。這可能是由于LED外部溫度受環(huán)境影響明顯，溫度越高時(shí)與環(huán)境溫差越大，熱傳遞更加迅速，從而數(shù)值變化沒有LED器件內(nèi)部的P-N結(jié)溫變化顯著。即便如此，兩組數(shù)據(jù)之間有望通過進(jìn)一步的分析計(jì)算找到數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。

4 結(jié)語

我們選取1 W LED樣品顆粒，用電學(xué)參數(shù)測(cè)量法分析了結(jié)溫及變化規(guī)律，并用紅外熱成像技術(shù)加以輔助分析，得到相關(guān)的數(shù)據(jù)和結(jié)論：（1）樣品LED結(jié)溫大小并不是固定值，而是與加熱電流密切相關(guān)，結(jié)溫與加熱電流數(shù)據(jù)經(jīng)擬合分析符合近似線性規(guī)律；（2）物理意義上，證明了加熱電流對(duì)LED結(jié)溫具有調(diào)諧功能；（3）紅外熱成像技術(shù)測(cè)得LED溫度數(shù)據(jù)符合LED結(jié)溫變化規(guī)律，二者數(shù)據(jù)具有一定的關(guān)聯(lián)；（4）初步論證了非接觸測(cè)量與診斷LED結(jié)溫的可行性，接下來可進(jìn)一步研究?jī)烧咧g的修正函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)以非接觸無損測(cè)量的方法精密可靠地分析LED結(jié)溫。LED將越來越廣泛地應(yīng)用，科研檢測(cè)機(jī)構(gòu)以多種分析手段來全面研究LED指標(biāo)，更加快速準(zhǔn)確地掌握LED的性能，對(duì)于充分發(fā)揮LED新一代照明的功能必將起到非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] HELIOTOTIS G，Spectral conversion of InGaN ultraviolet microcavity light emitting diodes using fluonne based red，green，blue and white lighe emitting polymer overlayer films [J].Appl，Phys，Lett，2005，87：503-505.

[2] 蔡怡，朱騰飛，張俊.一種小型分布式光色度計(jì)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2012，34（3）：27～32.endprint