基于半峰宽的发光二极管结温测量方法

蒋福春， 何思宇， 刘远海， 刘 文*， 柴广跃, 2， 李百奎， 彭冬生

1. 深圳大学物理与光电工程学院， 广东 深圳 518000 2. 深圳技术大学新能源与新材料学院， 广东 深圳 518000

引 言

由于功率型LED本身具有诸多优点， 其应用范围日益扩大。 而目前LED工作时仍有大量的能量转变成了热能， 使得LED结温过高， 从而引起光衰、 发光效率降低、 颜色偏移、 寿命缩短、 降低可靠性等各种问题[1-2]， 所以降低其结温已成为研究的热点， 如何科学地测量LED结温成了问题的突破口[3-5]。 目前国际上公认的LED结温标准测量方法是正向电压法[6]， 但对于成品LED灯具而言， 在测量时很容易受到LED封装结构及灯具外壳的限制， 一般很难实现LED引脚上两端电压的精确测量， 并且其测量条件是在极小电流状态下进行， 而且结电压与结温的线性关系在高温端要优于低温端， 从而引起测量误差， 无法及时有效掌握LED结温， 这些问题使得正向电压法的应用受到一定程度的限制[7]。 目前已报道过的管脚温度法、 红外热成像法、 蓝白比法[8]等其他LED结温测量方法在某种程度上均受到一定的约束， 如蓝白比法是利用白光LED的发光光谱分布来测量结温， 最大优点是不需要破坏器件的整体性， 是一种非接触式的结温测量方法， 但随着结温度升高， 蓝光LED芯片发光和荧光粉的发光强度都会下降， 而且荧光粉的下降更为显著， 从而使白光光谱中蓝光的比例发生变化， 该方法的缺点是难以实现单色LED结温的测量和测量结果随着结温的升高而大幅下降。

本文以1 W大功率LED器件为研究对象， 通过分析其在不同结温下的相对发光光谱数据， 建立起功率型LED光谱的半峰宽与结温的内在联系， 提出了一种基于半峰宽的非接触式LED结温的测量方法。

1 理论部分

对于直接带隙半导体来说, 发光光谱峰值波长与其禁带宽度存在一定的关系[9], 而对主流的GaN进行掺杂后的直接带隙材料来说, 峰值波长由电子陷阱发光中心的位置决定[10]。 当温度发生变化时， 其禁带宽度， 荧光粉的禁带宽度以及禁带中的能级位置都要受到芯片p-N结温度的影响， 而参与电子-空穴复合的能带有一定的宽度, 不是能级之间的载流子复合发光， 因此导带底附近和价带顶附近的能态都会对发光有一定的贡献， 这便造成了发光管的发射光谱较宽， 所以温度对禁带宽度的影响最终导致LED芯片产生的光谱发生变化， 从而荧光粉的光致发光光谱同样发生变化[11]， 这样就造成整个辐射光谱中半峰宽会随着温度的变化而变化[12]。 随着温度的变化LED光谱中存在着FWHM与之相应的发生变化， 这种变化是与结温息息相关的， 因此在理论上可以通过FWHM的变化来表征结温的变化。

2 实验部分

为了测量LED器件的P-N结温度， 将LED器件放置于一个恒温腔中， 并在器件基板背面放置一个用于温度检测的探头， 再将整个恒温箱装置放置于一个与光谱特性分析仪相连接的积分球中， 光谱特性分析仪采集到从积分球中传输过来的LED光谱信息。

工作过程： (1) 通过恒温腔自动温控系统调节腔内环境温度， 一定时间后使放置于腔内的LED器件的温度达到平衡。 对待测LED器件施加相应的工作电流， 并通过光谱分析仪快速得到初始电压， 初始主波长， 初始光谱图等数据。 虽然开始瞬间(秒内)驱动电流对被测器件本身的自加热效应非常少, 但LED器件的P-N结温度仍有少量温升。 由于每次光谱仪的反应时间是固定的， LED器件在同一驱动电流下， 其结温增加量是相同的， 为了减少结温的升高, 我们将计算出来的FWHM值作差， 从而可几乎可以消除自加热效应的影响。 (2) 在保持恒流驱动不变的情况下， 改变恒温腔的温度重复上述过程， 得到一系列的光谱数据； (3) 分析各光谱数据， 得到相应的特征波峰的半峰宽(full width half maximun， FWHM), 发现各半峰与结温度Tj按一定的函数关系Tj=f(FWHM)线性变化。 (4) 对待测LED在正常工作状态下得出光谱数据， 得出其对应的半峰宽， 通过关系式Tj=f(FWHM), 得出在相应工作状态下的结温。

采用杭州远方光电的ATA-500光谱分析系统采样各色LED的在不同温度下的光谱数据。

2.1 方法

此类实验装置类似于常规的采用电压方法测量LED结温装置。 对四种具有不同峰值波长的LED样品进行分别测试。 这些LED样品分别用来确定结温与半峰宽(FWHM)的关系。 实验过程中对所有影响LED器件结温的因素均加以控制。 基于半峰宽的LED结温非接触式测量法整个过程分为拟合， 定标和测量三部分， 定标的目的是得到样品的结温Tj与其发光光谱半峰宽的函数关系Tj=f(FWHM), 称为定标函数， 具体测试步骤如下： (1)将待测LED样品安装在温控器上， 并均匀涂覆一层导热硅脂， 保持良好的热接触； (2)将温控器的环境设定为T1， 稳定一段时间(30 min以上)， 使得LED样品与基座之间达到稳定的热平衡。 (3)给LED器件的电流设定为正常的工作电流(如350 mA), 并快速(秒钟内)测量其发光光谱数据， 经过分析计算得到了在结温T1下的FWHM。 (4)改变温控器为其他温度Ti(i=2, 3, …), 重复步聚3， 得到其他结温度下同一电流对应的FWHM。

定标： 由于所有光谱仪所测得的数据均是离散， 例如大多数光谱仪的测量步径为1 nm， 而在不同结温Tj下FWHM相差并不太大， 在计算FWHM时需要对原始的光谱数据按一定规律进行线性拟合， 这就完成光谱数据的拟合， 这也是相当关键的一步， 否则会影响后面的定标的精度。 当选择的温控温度比较多时， 通过将Tj～FWHM数据拟合， 就能等到该样品Tj和FWHM两者的函数关系。

为了消除自加热效应和温控系统精确度的影响， 我们选定某一腔体温度下的该LED器件的Tjb和FWHMb作为基准， 将每次测出的Tj和FWHM分别与基准作差， 得到ΔTj=f(ΔFWHM)的函数关系， 完成了样品的标定过程。

测量： 得到实际LED正常工作时的任一结温Tjspec， 步骤如下： (1)用光谱仪测量待测条件下LED光谱分布， 计算出FWHM; (2)将上一步测得的FWHM值与基准FWHMb作差得到ΔFWHM。 (3)将计算出的ΔFWHM， 代入到定标函数ΔTj=f(ΔFWHM), 便得到了此时的真实结温Tjspec=Tjb+ΔTj=Tjb+f(ΔFWHM)

2.2 样品选择

为了说明这种测试方法的普适性 ， 我们随机在市面上选择了各种颜色各厂家的LED 5只。 实验前均在LED基板上均匀涂覆一层导热硅脂， 环境温度为25 ℃， LED的驱动电流为350 mA。

2.3 仪器与参数

采用杭州远方公司的ATA-500型自动温控光谱测试系统， ATA-500能够正常的测量在不同的温度下光谱数据， 可精确到0.2 nm。

自动温控光谱测试系统由WY305型高精度恒流电源， CL-200温控器， 积分球和ATA-500型光谱仪组成， 连接方式如图1所示。 其中WY305型高精度恒流电源给待测LED提供恒流驱动， 电流误差为±1 mA； 温控器给LED提供稳定的环境温度， 误差为±0.1 ℃， 积分球上开有两个孔， LED安置在温控器上并通过一只孔伸入积分球内壁； 光谱仪探头通过另一只孔伸入积分球内， 以便测量LED的光谱分布。

图1 自动温控光谱测试系统结构示意图

标定过程， 通过温控器选择温度为5～85 ℃， 间隔温度为10 ℃， 每一间隔温度稳定30 min， 使开始给LED通以驱动电流， 以便LED达到热平衡状态， 然后快速测量其发光光谱数据。

3 结果与讨论

应用上述方法， 对多种颜色的大功率LED进行了光谱测试， 并对结果进行讨论。

3.1 大功率单色LED

对一大功率蓝光LED进行了光谱数据测量， 并对在不同温度下的FWHM进行拟合， 得到定标函数， 数据如表1。

表1 蓝光不同温度下的FWHM

将表1的数据通过二维坐标呈现并拟合(见图2和图3)。

图2 蓝光LED Tj vs FHWM函数曲线图

通过原始的FWHM作图， 并进行线性拟合， 得到原始的Tj-FWHM函数y=8.897 3x-197.1其中R2=0.996 5， 其线拟合线性度相当高； 而我们通过原始的光谱数据拟合计算后， 再通过作图进行线性拟合， 得到其函数y=8.874 8x-197.19，R2=0.997 1，R2更接近1， 比原始的数据得出的函数线性度更好， 说明拟合的结果符合线性关系。 我们选定室温(25 ℃)为基准状态， 得到表2。

将表2的数据通过二维坐标呈现并拟合如图4。

图3 蓝光LED Tj vs FHWM(拟合)函数曲线图

表2 蓝光LED不同温度差ΔTj下的ΔFWHM

图4 蓝光LED定标函数曲线图

通过图4的线性拟合得到此次的蓝光定标函数y=8.595 3x, 其中R2=0.994 7, 发现R2同样接近1， 说明拟合的结果符合线性关系。 通过此定标函数， 只要简单测量在任一稳定态下的发光光谱的FWHM与基准状态下的FWHMb作差得到ΔTj， 代入定标函数就可以到得相应的结温差， 真实结温Tjspec=Tjb+ΔTj=Tjb+f(ΔFWHM)， 操作简单， 方便可行。

同样我们随机选取了绿光和红光大功率LED作测试， 得到的定标图如图5和图6。

得到了绿光和红光的Tj-FWHM函数分别为y=23.114x-817.02，R2=0.996 8和y=18.496x-328.29，R2=0.977 6，R2均更接近1。

3.2 大功率白光LED(WLED)

由于白光是一种复合光， 我们采取类似的方法从25 ℃开始间隔5 ℃测量取一个测试点得到光谱数据， 并计算出主峰对应的FWHM， 得到如表3数据。

图5 GLED Tj vs FHWM函数曲线图

图6 RLED Tj vs FHWM函数曲线图

表3 白光LED在不同温度差ΔTj下的ΔFWHM

得到的标定图如图7所示。

图7 WLED Tj与FHWM函数曲线

由于本次测量的温度间隔更小， 得到白光LED(WLED)的Tj-FWHM函数y=8.031x-183.4，R2=0.999,R2更接近1， 线性拟合度更好。

通过上述三种单色光和白光LED均得到线性度较好的定标函数， 后续测量均只需简单测量发光光谱的FWHM与基准状态下的FWHM作差， 代入定标函数中， 即可得到相应的结温差， 即可快速得出真实的LED结温。

为此我们将上述的白光LED在室温环境下以350 mA的驱动电流点亮120 s， 采用上述方法得出的结温是93.6 ℃， 用Mentor Graphics公司的T3Ster测出的结温是96 ℃， 与T3Ster测量的结果相差了2.5%， 说明此方法可行。

4 结 论

采用了光谱半峰宽测量LED结温， 不论是各种颜色的单色光LED还是复合的白光LED均可采用此种方法, 比传统的峰值波长法， 相对光谱强度法具有更好的线性拟合度， 精度更高； 并将结果与Mentor Graphics公司的T3Ster测出的结果进行了比较， 说明此方法完全可行。 由于本方法采用非接触测量， 保持了光谱法测量不破坏灯具结构， 高效直观的特点， 不需要昂贵的仪器设备， 是一种实用的LED结温测量方法。