淺談功率型LED節(jié)能燈組的結(jié)溫測定

1、淺談功率型LED節(jié)能燈組的結(jié)溫測定上海時代之光照明電器檢測有限公司 李為軍結(jié)溫作為衡量一個LED器件使用性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，是LED器件工程應用中可靠性測量的核心要素，也是LED檢測產(chǎn)品中的主要考察對象。本文總結(jié)了目前報道過的幾種測量LED器件結(jié)溫技術(shù)的方法，并就其應用特點和局限性做了比對，同時結(jié)合本公司燈具熱穩(wěn)定性測試方法，對正向電壓法測量LED結(jié)溫技術(shù)方案做了一些改進。1、引言20世紀90年代中期，日本日亞化學公司的Nakamura等人經(jīng)過不懈努力突破了制造藍光LED的關(guān)鍵技術(shù)。GaN基藍色LED的出現(xiàn)，大大擴展了LED的應用領(lǐng)域，從此掀開了第三代半導體材料GaN基半導體照明的革命。世界各

2、發(fā)達國家在世紀之交紛紛推出國家級半導體照明計劃，力圖在新世紀搶占半導體新一輪的制高點。目前，中國在用LED照明應用方面已經(jīng)走在世界的前列。據(jù)不完全統(tǒng)計，2009年，中國道路照明市場達2800萬盞路燈，每年約新增及更換路燈達300-400萬盞，創(chuàng)造出龐大的LED路燈市場。預測，2009年LED路燈比2008年增長178%，2011年LED路燈數(shù)量將會達到800多萬盞，滲透率將會達到8.5%。當前，在進行LED應用推廣方面，我國在國家層面上進行了大力扶持，2008年的北京奧運會，即將到來的2010年上海世博會和目前科技部推廣的“十城萬盞計劃”政府示范工程以及由國家發(fā)展和改革委員會（NDRC）/聯(lián)合

3、國開發(fā)計劃署（UNDP）/全球環(huán)境基金（GEF）共同發(fā)起的中國逐步淘汰白熾燈、加快推廣節(jié)能燈（PILESLAMP）項目，都標志著我國大面積使用LED節(jié)能燈組的突破性開始，具有十分重大的意義。功率型LED是向固體照明發(fā)展過程中的關(guān)鍵器件。雖然LED照明有著諸多無可比擬的優(yōu)點，要想獲得實現(xiàn)真正意義上的第三代照明工程，仍存在測量和應用上的瓶頸，既LED器件散熱和可靠性問題，特別是形成LED照明燈組后的結(jié)溫狀態(tài)的獲取問題。由于目前照明用大功率LED燈具都是多個單管LED組裝在一起構(gòu)成的。如果散熱系統(tǒng)設計不合理，LED芯片的結(jié)溫就會過高，這將直接影響LED器件的性能，導致發(fā)光效率降低、壽命縮短，也使得L

4、ED的光度、色度學性能變差。本文總結(jié)了目前報道過的幾種測量LED器件結(jié)溫技術(shù)的方法，并就其應用特點和局限性做了比對，同時結(jié)合本公司燈具熱穩(wěn)定性測試方法，對正向電壓法測量LED結(jié)溫技術(shù)方案做了一些改進。2、 LED 發(fā)光特性與不同結(jié)溫測定技術(shù)的比較LED (light-emitting diode), 又稱發(fā)光二極管，是利用固體半導體芯片作為發(fā)光材料， 通過電流注入利用電子與空穴的復合將能量以光的形式釋放出來.由于襯底和外延膜的晶格不匹配效應導致LED內(nèi)部存在大量地非輻射復合以及外延材料較高的反射率引起的全反射問題，使得 LED結(jié)溫急劇上升。結(jié)溫的升高，促使晶格震動加劇，加速了LED器件的老化，

5、極大影響其光學特性和壽命。從嚴格意義來說， 把LED pn結(jié)區(qū)的溫度作為LED的結(jié)溫，通常由于器件芯片具有很小的尺寸，因此常把LED芯片的溫度定義為結(jié)溫。結(jié)溫作為衡量一個LED器件使用性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，是LED器件工程應用中可靠性測量的核心要素，也是LED檢測產(chǎn)品中的主要考察對象。特別是形成LED照明燈組后的結(jié)溫狀態(tài)的獲取成為LED照明工程應用中必須解決的關(guān)鍵問題。因此，準確測量半導體LED的結(jié)溫具有重要的實際意義。到目前為止，國內(nèi)外的各類檢測結(jié)溫的產(chǎn)品大多是利用電學性質(zhì)、熱學性質(zhì)、光度和色度學性質(zhì)等來進行結(jié)溫測量。具體地測量LED結(jié)溫的方法通常有以下幾種：方法特點局限性適用性管腳法1，2是

6、利用LED器件的熱輸運性質(zhì)，通過測量管腳溫度和芯片耗散功率和熱阻系數(shù)求得結(jié)溫。探溫線與電極接觸會引入寄生電阻；外環(huán)氧封裝頂端到芯片的距離高度也會影響最終測試結(jié)果3。單管LED藍白比法4, 5是一種非接觸的測量方法，是利用白光LED電致發(fā)光光譜中，藍光與白光的功率比值隨結(jié)溫變化關(guān)系來測量結(jié)溫。比例系數(shù)沒規(guī)律，可能相同類型白光LED有不同的比例參數(shù)。單管LED紅外熱成像法6是常用的測量結(jié)溫分布的方法，但是其成本高，速度慢，紅外儀器分辨率大于1mm，特別是對典型LED小芯片尺寸來說，而且測量器件要求處于未封裝或開封的狀態(tài)。對LED封裝材料折射率有特殊要求。單管LED，開封狀態(tài)向列型液晶熱成像技術(shù)3是

7、利用向列型液晶各向異性到各向同性的轉(zhuǎn)變溫度點變化來測定LED結(jié)溫。優(yōu)點就是清楚地觀察到LED芯片表面不同位置的工作溫度狀況。對儀器分辨率要求高，只爭對裸晶，既未封裝的單個芯片而言。單管LED，開封狀態(tài)利用發(fā)光峰位測定結(jié)溫技術(shù)7, 8是一種非接觸的測量方法，是一種直接從發(fā)光光譜確定禁帶寬度移動技術(shù)來測量結(jié)溫。對光譜測試儀器分辨精度要求較高，發(fā)光峰位的精度測定難度較大。單管LED或LED燈組這些方法要么局限在對于單管或未封裝LED器件的測量，要么對測量儀器的分辨率的精度依賴較高。例如，利用發(fā)光峰位測定結(jié)溫技術(shù)中，發(fā)光峰峰寬約10納米將使得常規(guī)方法對于峰位確定會形成1納米的誤差，而峰位1納米的誤差變

8、化就對應著測量結(jié)溫約30度的變化。這么大的誤差，使得測試結(jié)果的可靠性大大降低。特別是對新型的GaN基LED照明器件而言，由于量子阱中In組分的非均勻分布導致發(fā)光峰位線形呈現(xiàn)本質(zhì)的非對稱性特性，而且有的發(fā)光峰較寬或精細的發(fā)光光譜峰位線形呈現(xiàn)類鋸齒狀的峰形見下圖1，這都給發(fā)光峰位的準確判定帶來較大的難度。而電壓參數(shù)法測定結(jié)溫技術(shù)就可有效避免這一問題。圖1 典型GaN基多量子阱LED電致發(fā)光光譜。插圖為發(fā)光峰位的放大。3、電壓參數(shù)法測定結(jié)溫的改進方案由于LED器件是依靠電子與空穴在pn結(jié)區(qū)進行復合發(fā)光，pn結(jié)既是光產(chǎn)生的區(qū)域，也可作為一個溫度傳感器件，在恒定電流條件下，可以利用pn結(jié)兩端的電壓降與結(jié)

9、溫變化的線形關(guān)系來測定LED器件的結(jié)溫，這也就是目前國際上通用的標準方法-電學參數(shù)法9。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果表明10, 11，LED結(jié)溫與LED pn結(jié)端電壓的改變相關(guān)聯(lián)，具體地可以用下式表示： （1） (2)公式(1)中，TJ為測試條件穩(wěn)定時LED的結(jié)溫，T0 為環(huán)境參考溫度，Vt為器件在測試條件的電壓V；V0作為在參考環(huán)境溫度下的參考電壓V，K為溫度敏感系數(shù)/mV。溫度敏感系數(shù)可以由公式（2）表示，式（2）中，表示為高低溫度；相應的表示為高溫低溫下LED器件兩端的電壓mV。式（2）中K因數(shù)的確定要考慮的因素有很多。其中，最關(guān)鍵的是在測量電流的選擇上，選擇的測量電流（IM）必須足夠的大，以便獲

10、得一個不被表面漏電流的影響的可靠的正向電壓讀數(shù)，但也要足夠的小，以便不會引起器件產(chǎn)生明顯的自熱行為。按照JSED51-1標準規(guī)定，IM值將應在二極管特性I-V曲線的“Knee”周圍區(qū)域內(nèi)選擇， 而I-V特性曲線和LED器件或燈組的內(nèi)封裝芯片結(jié)構(gòu)組成、電極結(jié)構(gòu)和封裝材料相關(guān)聯(lián)，有的LED器件或燈組I-V曲線中的“Knee”特性并不明顯，這就給合適測量電流IM的選擇帶來難度，為準確挑選一合適測試電流值來避免因測試電流的選擇而帶來的誤差，我們把燈具穩(wěn)定性測試監(jiān)控技術(shù)引入電壓參數(shù)法測試LED結(jié)溫技術(shù)之中。具體測試裝置組建結(jié)構(gòu)簡圖如圖2。35226471圖2 結(jié)溫測試裝置搭建簡圖。1 恒溫箱； 2待測器

11、件；3 LED器件或燈組供電電源；4 電壓表；5 無紙記錄儀；6 電阻溫度探測器（RTD）；7 恒溫箱腔體加熱電源。利用選定的IM，使裝入恒溫箱中的LED燈或燈組在IM下正向偏置。記錄兩個或多個不同平衡溫度條件LED器件的正向電壓。由于IM是特殊選擇的，其將不會造成待測器件本身明顯的自熱，利用溫度與LED器件正向偏置電壓兩者之間的變化關(guān)系來最終標定K因子。結(jié)合公司燈具熱穩(wěn)定性監(jiān)控技術(shù)手段并參考目前常用電壓法LED結(jié)溫測定的方法，我們重新設計了電壓參數(shù)法LED器件結(jié)溫測定方案，實施操作流程如下：1 電流IM的選定：在將LED器件或燈組裝入溫度可控的恒溫箱內(nèi)之前進行I-V特性測試，依照JESD51

12、-1標準規(guī)定選定測試電流范圍，并依照燈具熱穩(wěn)定技術(shù)要求規(guī)定的布線技術(shù)在位監(jiān)控燈具各布線點的溫度，確定選擇的測試電流不會造成測試器件明顯的自熱現(xiàn)象，并最終確定測試電流IM值。2 將被測試樣品LED器件或燈組置于溫度可控的恒溫箱內(nèi)，測試LED器件無電流輸入時恒溫箱內(nèi)的溫度TL0。3 利用 1 中所選定的測試電流IM快速點亮LED器件，記下此時的測試器件端電壓值VL0。4 關(guān)閉LED器件供電電源，利用熱電偶將恒溫箱溫度升高到某一特定溫度，用無紙記錄儀監(jiān)控測試器件溫度，待LED器件溫度與恒溫箱設定溫度都達到熱平衡態(tài)時，快速點亮LED，同時記錄下LED器件的輸入電壓VHi和烤箱溫度THi。5 利用公式（

13、2）計算出K因子系數(shù)。6 再將LED輸入電流調(diào)到額定值（例如I=350mA），待被測LED器件或燈組溫度達到熱平衡態(tài)時，記錄此時LED器件或燈組兩端的電壓Vt。7 然后降低LED的輸入電流到某一值，待其溫度重新達到熱平衡態(tài)，測量LED器件正向端電壓值V0。8 利用 4、5、6 和 7 并結(jié)合公式2可求得LED器件或燈組的結(jié)溫TJ。4 小結(jié)照明節(jié)能是國際發(fā)展的趨勢。目前，中國在用LED照明應用方面已經(jīng)走在世界的前列，然而要真正使得LED照明成為今后照明的主流，其可靠性是非常重要的，決定其可靠性的關(guān)鍵是LED器件pn結(jié)的結(jié)溫。如果LED照明器件散熱系統(tǒng)設計不合理，LED芯片的結(jié)溫就會過高，這將直接

14、影響LED器件的性能，導致發(fā)光效率降低、壽命縮短，也使得LED的光度、色度學性能變差。本文綜合歸納了報道過的幾種測量LED器件結(jié)溫技術(shù)的方法，并就其應用特點和局限性做了比對，同時結(jié)合本公司燈具熱穩(wěn)定性測試方法，對正向電壓法測量LED結(jié)溫技術(shù)提出了改進方案。參考文獻1 Gu Yimin, Narendran N. A non-contact method for determining junction temperature of phosphor converted white LEDs, Third International Conference on Solid State Light

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