基于光谱分布特征参数的白光LED结温测量方法

郭 杰, 马军山, 饶 丰, 褚 静

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093;2.常州工学院 电气与光电工程学院, 江苏 常州 213002)

引 言

由于大功率白光LED自身的诸多优点,其应用日渐广泛。结温是影响 LED光色电性能、寿命以及可靠性的重要因素[1-2]。目前,国际上公认的LED结温标准测量方法是正向电压法[3],但是在测量时往往受到灯具外壳及产品封装等限制,一般难以接触LED管脚,不能实现LED引脚两端电压的测量[4],同时其测量条件是在小电流状态下进行,无法及时掌握现场运行的LED灯具结温,这些问题令正向电压法的应用十分受限。因此,非接触式LED结温测量方法受到研究者的关注,目前已报道的红外微相仪法[5]、峰值波长法[6]、 中心波长法[7]、质心波长法[8]和双参数法[9]均为单色LED结温的测量方法。针对大功率荧光粉白光LED结温测量,叶炎钟等提出辐射强度法,但该法要求测量绝对光谱,测量误差较大[10];Gu等提出蓝白比法表征白光LED结温,但该法在测量大功率LED时有较大的误差,同时随着荧光粉的老化衰减,测量结果的准确度大幅下降[11]。能否利用LED光-色-热-电的内在联系,设计一种更为准确、稳定的大功率白光LED结温测量方法,是本文主要研究的问题。

本文以1 W GaN基白光LED为研究对象,改变电流大小和环境温度,分析LED光色热参数之间的内在联系,采用质心波长和半高全宽联合表征光谱分布,建立GaN基白光LED光-热-电关系,设计出基于光谱分布特征参数的GaN基白光LED结温的非接触式测量方法。

1 测量原理

由于GaN基半导体材料的禁带宽度和结温相互关联,当结温升高时,LED芯片除了电学输运性质发生改变致使正向电压降低,其发光光谱的峰值波长亦发生红移,导致荧光粉的发光效率降低[12]。当改变注入电流时,随着电流增加,蓝光LED芯片光谱的峰值波长发生先蓝移而后又红移;同时,随着电流增大,结温在升高,这些都会导致荧光粉的有效激发效率降低,最终使得白光LED的光谱分布发生变化。

因此白光LED光谱分布受注入电流If和结温Tj的变化影响很大,而LED结温Tj主要由注入电流If、环境温度Ta和灯体散热能力决定,三者之间的关系可表示为

Tj=f(If,Ta)

(1)

在式(1)中,若驱动电流If为瞬时脉冲,在LED点亮时间非常短的情况下,其发热量也很小,所造成PN结温度的变化也较小[13],此时可以考虑忽略瞬时脉冲电流的热效应,Tj就可以近似为Tj≈Ta。不同的驱动电流If和结温Tj可以得到不同的光谱分布G(λ),且可表示为

G(λ)=f(Tj,If)

(2)

因此,可以通过不同环境温度Ta、不同瞬时恒定电流驱动的LED光谱分布构建LED光-热-电关系,且可表示为

Tj=f(G(λ))

(3)

从式(3)中可以发现,只要测量出实际点灯时的光谱分布,就可以得出此时LED的实时结温。

GaN基白光LED的光谱主要由GaN基芯片发出的蓝光和荧光粉激发出的黄光组合而成。图1中实线部分为荧光粉型GaN基LED的发光光谱,左侧虚线部分光谱(峰值450 nm附近)为理论上LED芯片发出的蓝光光谱,右侧虚线部分光谱(峰值570 nm附近)为荧光粉激发光谱。由于荧光粉激发出的黄光光谱复现性差,而且随着使用时间推移,荧光粉老化严重,性能十分不稳定,所以选择芯片发出的蓝光光谱进行研究。在实际测量中,选用蓝光和黄光光谱最低点(图中A处)以左的区域作为芯片发出的蓝光光谱。

分析计算时,采用双特征参数对光谱分布进行表征。半高全宽Δλ0.5能表达光谱能量分布的集中状况,质心波长λc能够表征光谱分布的中心位置。两者从不同角度反映了光谱分布的情况,相对于单一参数表征[11,14],两者联合能够较为全面的表征光谱分布,从而研究芯片发光光谱与结温、电流之间的内在联系。

图1 白光LED芯片发光光谱的选择Fig.1 Selection of the white light LED chip light-emitting spectrum

2 实 验

2.1 样品选择

本研究选择单颗LED光源作为样品,具体为Cree的XP-E系列XPE-R3-Q5型1 W GaN基白光LED 15只。测试前,样品LED均需经过12 h老化。老化条件为驱动电流300 mA±10 mA,环境温度20 ℃±1 ℃,气流稳定。

2.2 实验测量系统

如图2所示,本实验测量系统由LED300E可编程恒流电源、TC-100温控装置、积分球、Hass2000型光谱仪、待测LED、TRA-200热阻结构分析仪等组成。LED300E可编程恒流电源负责给样品LED供电,其误差范围为±1 mA。TC-100温控装置为测试提供稳定的测试衬底温度,其误差范围为±1 ℃。

图2 测试系统结构图Fig.2 The schematic of the testing system

由于采用了较长时间的热平衡过程,因此铝基板引入的热阻并不影响本研究。为了测试方便,将样品焊接在铝基板上,再放置在TC-100温度控制器上,热沉与铝基板,铝基板和温度控制器之间填涂导热胶。这样热沉温度的变化就等于温度控制器的变化。积分球和光谱仪相结合可以准确地测量LED的光谱功率分布。与正向电压法测量结果的对比则是由TRA-200型LED热阻结构分析仪完成,其测量误差一般不超出0.1 ℃。

2.3 实验步骤

本研究拟先求出光谱分布特征参数和结温之间的关系,然后再根据实际点灯时的光谱分布特征参数算出结温,最后将该结温与正向电压法及蓝白比法测量的结温进行比较。具体实验步骤如下:

1) 将温度控制器的控制温度设为T1=20 ℃,判断LED与基座间是否实现热平衡,随后测量不同驱动电流下白光LED的光谱分布,脉冲电流50～500 mA,间隔为50 mA,所有脉冲电流宽度1 ms,光谱仪积分时间为10 ms,并计算光谱分布特征参数,此时结温Tj近似为控制器温度T1。以半高宽为横轴,质心波长为纵轴,画出在同一结温下光谱分布特征参数和电流之间的关系。

2) 改变温控装置温度,从20～80 ℃,间隔10 ℃,重复上步操作,得到其他结温不同瞬时驱动电流下的LED光谱分布,计算对应光谱分布特征参数,画出不同结温不同瞬时驱动电流下光谱分布特征参数关系阵列图,这样就完成了结温-光谱分布特征参数-电流关系的标定。

3) 测量实际点灯时,用光谱仪测量LED的光谱功率分布,计算光谱分布特征参数,带入标定曲线阵列图中,根据该点实时光谱分布特征参数在等温线上的位置,估算出对应的结温Tj和电流If,最后,将结果与其他方法进行比较。

3 结果与讨论

3.1 电流、光谱分布特征参数和结温之间的关系

图3为Cree公司的GaN基白光LED在Tj≈Tc=20 ℃时不同脉冲电流驱动下芯片发出蓝光光谱的质心波长与半高全宽(full width at half maximum,FWHM)之间的关系。从数学拟合结果来看,采用多项式进行拟合,其决定系数R-Square为0.996 9,均方根误差(RMSE)为0.06 nm。当结温保持恒定、驱动电流发生变化时,光谱分布特征参数质心波长和FWHM随电流变化呈现非线性二次多项式趋势。

图3 结温20 ℃时不同驱动电流下白光LED的质心波长与FWHM关系Fig.3 Centriod wavelength vs.FWHM of white LED when current is changed with uniform junction temperature

图4为白光LED芯片所发出蓝光的光谱分布特征参数随结温、电流变化关系图,图中黑色方块所表示的是白光LED在热平衡时质心波长和FWHM坐标,其驱动电流范围为50～500 mA,间隔为50 mA。横向为同一结温下,50～500 mA的窄脉冲(1 ms)电流驱动时,质心波长与FWHM之间的变化趋势;纵向为同一脉冲驱动电流下,结温从20 ℃变化至80 ℃时,质心波长与FWHM之间的变化趋势。从图上可以看出,电流恒定时,随着结温的递增,质心波长与半高全宽呈线性变化;结温恒定时,随着电流的递增,质心波长与半高全宽之间呈二次多项式趋势变化。同时,驱动电流的大小对两者变化的影响不同,驱动电流大时,质心波长变化小,FWHM变化较大;驱动电流小时,质心波长变化大,FWHM变化较小。这与两个特征参数表征光谱的角度及参数自身的灵敏度有关。依据图4中所表达的LED结温-电流-光谱分布特征参数关系,根据图中热平衡时各点对应位置坐标(452.76,33.09)可在等温线阵列中找到LED对应结温48.8 ℃;同时,根据该光谱分布特征参数坐标,亦可以在等电流线阵列中找出对应实时电流350 mA。

图4 白光LED光谱特征参数-结温-电流关系图Fig.4 The relationship among spectral distribution,characteristic parameters,junction temperature and current of white LED

3.2 测量结果及误差分析

实验采用正向电压法、蓝白比法和光谱分布特征参数法对LED结温进行测量。表1为15个白光LED样品采用光谱分布特征参数法与正向电压法测量结果的标准差(SD),其平均值为1.5 ℃,与正向电压法结果一致。

表1 样品的标准差Tab.1 The standard deviation of samples ℃

图5是样品采用三种方法的测量结温的结果对比。可以看出,在不同驱动电流下,光谱分布特征参数法与正向电压法、相对蓝白比法测量结果误差较为一致,其误差在±2 ℃。

图5 样品1光谱特征参数法与正向电压法、蓝白比法结温测量结果比较Fig.5 The comparison of junction temperature measured with spectral distribution,characteristic parameters method and other methods

图6为所有样品的光谱分布特征参数法测量结果与正向电压法测量结果对比,其中曲线为实测电流下各样品采用双参数法测量的结温值,点为采用正向电压法测量的结温值。虽然在不同驱动电流下,不同样品的结温数值不同,但是在同一驱动电流下,特别是在驱动电流250～450 mA时,两种方法的测量结果变化趋势比较一致。因此,用光谱分布特征参数法来计算GaN基白光LED具有较好的准确性。

图6 光谱分布特征参数法与正向电压法的测量结果Fig.6 The measurement result of spectral distribution,characteristic parameters method and forward-voltage method

4 结 论

结温测量对研究LED光色电性能及产品检测至关重要。本文依据大功率GaN基白光LED光、热、电内在联系,对不同脉冲电流下的LED光谱进行测量,采用质心波长和半高全宽联合表征芯片发光光谱分布,分析了光谱分布特征参数随电流、结温的变化趋势,建立GaN基白光LED光-热-电关系,并据此计算LED结温。经实验验证,对于1 W GaN基白光LED,结温测量误差在1.5 ℃内。本方法既具有较好的准确度,又可以克服管脚接触测量的限制,操作简单、实用方便,具有较强的应用价值。