交流发光二极管(AC-LED)结温的测试方法

徐 阁，于德鲁，邹 兵，许 键

(上海理工大学教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海 200093)

引言

AC-LED是近年来出现的可以在工频电流下直接工作的新型光源，无需变压转换器和恒流源。当前DC-LED变压转换器直接限制了LED灯具的寿命，浪费15%～30%的能耗[1-2]。AC-LED以其寿命长、电路简单、发热量低等优点给DC-LED照明带来挑战[2]，被寄希望能够替代DC-LED照明光源。LED PN 结的温度对LED 的使用寿命、输出光强、主波长(颜色) 等因素都有很大的影响。在AC-LED 器件及阵列组件中,结构设计将比DC-LED复杂，如果设计不合理将导致PN 结温度升高,严重影响到AC-LED的性能、使用寿命和可靠性,因此研究结温测试方法对于AC-LED的应用有重要意义。

LED结温不可以直接测量，但可以通过正向电压、峰值波长等温敏参数来间接测量。LED的使用者可以根据制造商给出的热阻值和封装外测试点的温度来推算结温。计算结温的单向热传导公为：

Tj=Tout+ReP

(1)

P=PE-PO

(2)

式中，Tj为结温；Tout为封装外测试点的温度；P为PN结的热损耗功率；Re为PN结到封装外部测试点之间的热阻值；为PE为热功率；PO为光功率。

注：图中实线为AC-LED电极两端施加一个周期的以零相位为起点的正弦电压，三角点为同步监测到的电流瞬时值，虚线框为AC-LED开启工作的区域。

目前针对DC-LED结温测试的研究已有多种方法。(1)正向电压法，利用LED PN两端的正向电压随结温的变化而线性变化的原理来测量LED的结温。(2)红外热成像法，利用红外非接触式温度设备直接测量LED芯片的温度，目标器件需要没有被封装或者封装材料折射率需满足特殊要求，否则测量结果与实际相差比较大，此种方法测量精度比较低。(3)峰值波长法，利用发光光谱峰值波长随温度变化而位移的原理来测定结温。另外还有管脚法、蓝白比法、有限元法等。其中红外热成像法、峰值波长法、蓝白比法及有限元法等非接触法可以直接应用到AC-LED结温测试中，而正向电压法却由于AC-LED驱动电压是瞬时变化的而无法直接应用。但是非接触法精度比较低，相比之下DC-LED正向电压法的电学测量方法简单且测试精度非常高，特别是在瞬态热响应测量方面是非接触法难以达到的，是被最广泛使用的方法，所以将DC-LED的电学测量方法做出进一步改进，应用到AC-LED结温测试当中是非常有意义的。目前出现针对AC-LED特性，演变出来的主要有电流有效值法、参考脉冲电流法[3]、阈值电流法[4]等，本文使用一种新的测试方法——阈值电压法进行了结温测试并将其与峰值波长法进行对比。

1 测量原理

阈值电压和温度的关系可以利用肖克利方程[5]导出，如下：

(3)

其中，e是电子电荷，n是理想因子，Vth是阈值电压，E0是禁带宽度，Ith是参考阈值电流，k是玻尔兹曼常数，T是温度，A和B是与温度无关的常数。因此,AC-LED的阈值电压可以用作热敏参数估计Tj。这也是EIA/JEDEC 标准中半导体器件结温测量的理论依据[6]。

峰值波长和温度之间的关系源于Varshni方程[7]，如下：

(4)

其中，E0是禁带宽度，α和β是Varshni参数，T是温度。固态发光器件的禁带宽度会随温度的变化而改变，导致峰值发射波长和结温之间有简单的线性关系。

2 测试装置及方法

2.1 测试装置

此次实验的测试装置如图2所示，半导体分析仪采用Keithley 2636A的可编程电流源表，可以作电流/电压源表，也可以同时作流过被测器件两端的电压和电流。首先利用Keithley 2636A以编程的方式来模拟输出交流电压(可从0相位开始模拟单个周期或连续的正弦交流电)，并同步追踪通过AC-LED的电流瞬时值。用光谱仪采集AC-LED的发光光谱。恒温箱用来给AC-LED加热到某一特定的温度，用温度探测器监测恒温箱的温度。测试箱只用在室温条件下结温的测试中。

图2 测试装置的组成Fig.2 The experimental device

本文在使用这两种方法时，都参照EIA/JEDEC 标准中提出的定标(确定温度变化参数)和测试两步流程进行，以便两种方法对比。阈值电压法将AC-LED在交流电压下开启工作时的正向电压值作为温度变化参数来测量AC-LED的结温，峰值波长法使用发光光谱的峰值波长做温度变化参数。其中阈值电压法在测试步骤中选定的正向电压值是AC-LED正常工作时的电压瞬时值,为确保一致性在校准步骤中的正向电压值也是在不断变化的正弦电压中获得电压瞬时值。正向电压采用阈值电压，这样保证AC-LED位于初始工作状态,结温没有开始升高，最低限度让测试结果免受结温自升的影响。

2.2 测试方法

2.2.1 阈值电流法

(1)确认温度变化参数TVC

将被测AC-LED置于恒温箱中，初始温度设为当AC-LED的结温达到之后，给AC-LED输入的交流电压。追踪AC-LED 工作的瞬时电压值和瞬时电流值。根据追踪得到的电流变化曲线找到AC-LED的开启工作时的阈值电压,如图1所示。在每个交流正弦周期中都有4个阈值电压，本文阈值电压的取值是AC-LED工作后第1个周期中的第1个阈值电压。这样就可以降低电流对AC-LED的结温度的影响。按照上述步骤从初始温度开始以一定的温度间隔上升获取在不同温度下AC-LED的阈值电压。以此得到AC-LED的工作阈值电压与结温变化关系式如下：

(5)

其中，TVC1为阈值电压的温敏参数；T0为恒温箱设置初始温度。

(2)结温测量

等到AC-LED温度恢复到室温后，给AC-LED供应持续的交流电压，使其自加热，当AC-LED达到工作热平衡时采集交流AC-LED的正常工作时的阈值电压。根据式(5)和AC-LED正常工作时的阈值电压，便可以得到室温条件下AC-LED的稳定工作结温。

2.2.2 峰值波长法

同样峰值波长法在定标过程中按照上述步骤从初始温度T0开始以一定的温度间隔上升获取在不同温度下AC-LED的发光光谱。AC-LED的峰值波长与结温变化关系为式(6)。在测试过程中，当AC-LED正常工作达到热平衡后采集AC-LED的峰值波长λj。

(6)

其中，TVC2为峰值波长的温敏参数；λ0为AC-LED结温T0时的峰值波长。根据式(6)和峰值波长λj，便可以得到室温条件下交流AC-LED的稳定工作结温Tj。

3 测试结果及分析

3.1 测试结果

首先AC-LED在交流电压驱动下追踪不同温度下的电流瞬时变化。恒温箱初始恒温温度为40℃，分别在50℃、60℃……100℃，得到AC-LED的电压和电流瞬时值。在此次实验中，AC-LED 的参考阈值电流取If=1mA。图3是AC-LED在开启工作区域的I-V曲线，由图3可见：AC-LED阈值电压随温度的上升在有规律的降低。根据这一系列的阈值电压值可以得到阈值电压与结温之间的关系曲线，如图4所示，TVC1的值为-0.11V/℃。式(5)可以整理为Tj=-9.09V+900.91。然后测得AC-LED正常工作时阈值电压Vj为88.41V，计算得到AC-LED 的结温为97.32℃。同样在峰值波长的定标过程中，获取40℃、50℃……100℃结温条件下AC-LED的发光峰值波长，得到峰值波长与结温之间的关系曲线，如图4所示，TVC2的结果为0.05nm/℃。式(6)可以整理为Tj=20λj-8636。最后测得AC-LED正常工作时峰值波长为436.5nm，计算出结温值为94.0℃。

图3 AC-LED在开启工作区域的I-V曲线Fig.3 I-V curve of AC LED at the working region.

图4 AC-LED的阈值电压、峰值波长与结温的变化关系图Fig.4 The relationship among the threshold voltage,the peak wavelength and the junction temperature

3.2 误差分析

首先这两种方法所得到的结温相差在4℃之内，说明阈值电压方法可以用来测试AC-LED的结温。进一步分析，阈值电压法测试结温产生偏差的原因有两个，即结温自升和阈值电流的测量误差。为降低结温自升的影响，在定标过程中，在AC-LED启动工作的区域选择参考阈值电流。虽然阈值电流不可避免会给结温带来影响，但是如果结温自升的时间控制在1ms，结温的升高只有0.5 ℃，而且会得到非常稳定的TVC和阈值电压，反而提高了测试的准确度。在参考阈值电流为1mA，阈值电压的误差为±0.2V，引起的结温误差为±2.0℃。综合考虑这两方面的误差，阈值电压法的结温测试精度为±3.2℃。峰值波长法的测试误差主要来自于测试设备，当前工业用光谱仪的典型精度为±0.3nm，直接导致结温误差有±6℃。显然阈值电压法的测试误差更小。

其次，有些材料器件的峰值波长与结温没有线性关系。虽然许多基于不同材料固态发光器件的禁带宽度会随温度的变化而改变，导致峰值发射波长和结温之间有简单的线性关系。但是对于GaN器件有两个相互对立的机制影响峰值发射波长的位移。在InGaN器件中峰值波长由于量子局限斯塔克效应产生红移，又会因为能带填充效应和电荷屏蔽现象而产生蓝移，二者相违背[8-9]。因此, InGaN器件中峰值波长与结温没有一个简单的线性相关性[10-13]。

最后，需要考虑哪一种方法能够更适应在工业条件下直接测量。这两种方法需要进行一系列的校正测试，如果AC-LED的制造公差比较大，都将导致很大的测试误差。峰值波长法需要复杂的高精度的光谱测试设备，红移不明显的器件则对测试设备的精度要求更高，不适合在工业条件下使用。阈值电压法却能够相对简单高效的在工业条件下操作，现有的测试设备也能够满足方法要求。

4 总结

本文展示并对比了两种不同的AC-LED结温测试方法，即阈值电压法和峰值波长法。两种方法获得的测试结果有较好的一致性。经过分析，阈值电压法的误差会更小，易于在工业上应用；而阈值电压法的最大误差来自于获取阈值电压的误差,但从根本上还是获取瞬时电流的精准度。在这个实验中,设备对电流的采样率只有10KS/s。如果使用采样率更高的测试设备,这种方法可获得更精确的测试结果。

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