LED結溫測量方法*

饒豐 葛志晨

(1.鎮江出入境檢驗檢疫局 江蘇鎮江 212000;2.江蘇檢驗檢疫車燈檢測實驗室，江蘇丹陽 212300)

1 引言

半導體發光二極管 (Light-Emitting Diode，LED)是利用半導體PN結把電能轉化為光能的器件。它耗能少，穩定性高，響應時間短，無環境污染，必將成為新一代高效節能的照明光源［1～3］。

由于LED的空穴和電子相對運動，一部分能量產生有效的光電效應，發出光子;而另一部分是以發熱的形式消耗掉了。目前LED的發光效率較低，絕大多數能量以熱量的形式耗散了，因此，當電流通過PN結時，結溫會升高，結溫的變化必然導致器件微觀參數的變化，如電子－空穴的濃度，禁帶的寬帶，電子遷移率等，從而使得器件的宏觀特性發生變化，甚至使LED失效［4］。因此，準確測量LED結溫，對于大功率LED燈具設計，LED失效性和可靠性分析等具有重要的意義。

對于結溫測量方法，已經有不少報道，主要有:正向電壓法［5］、熱阻法［6］、峰值波長法［7］、藍白比法［8］，紅外攝像法［9］，相對輻射度法［10］和有限元計算法［11］。但是目前的報道多為一種測量方法的介紹或測量結果分析，鮮有這幾種方法的綜合報道。本文就測量LED結溫的方法進行了全面的介紹，給出了不同測試方法的原理，測試步驟，優缺點。

1 接觸式測量法

接觸式測量法是指測試過程中需要接觸到LED引腳的測試方法，該方法的核心是測量LED的電學參數，然后通過LED電熱特性，計算出結溫。

1.1 正向電壓法

正向電壓法是利用LED的PN結電輸運的溫度效應，通過測量工作電流下的正向電壓來測算結溫［5］。實驗表明，在恒定電流驅動下，LED兩端電壓隨結溫線性變化，即:

式中，UF(T2)，UF(T1)——結溫在 T2，T1時的 LED正向壓降;

K——電壓－溫度系數，一般地，對于AlInGaP和InGaN這兩種發光材料，其K值約為－2mV/℃。

目前，正向電壓法被認為是最精確的結溫測量方法。其測試過程如下:

(1)K值的測量。這是結溫定量測量的關鍵，目的是要得到LED器件的溫度－電壓特性。具體方法是，在選定定標電流Is后，保持器件的PN結處于不同的恒定溫度場中，測量不同結溫下器件正向電壓，計算出K。公式為:

式中:U'2，U'1——環境溫度為 T'2，T'1時 LED 的結電壓。

測量時，一般要求T'2，T'1相差50℃以上，一般地，Is不大于1%的額定電流，建議取100μA到5mA．

(2)電壓的測量。首先，在標定電流Is下，測量LED兩端的電壓UF(T1)，由于Is很小，對LED的加熱也很少，可以認為T1等于環境溫度。然后，在工作溫度下，將LED通電保持工作狀態，達到熱平衡時，斷電使LED脫離工作狀態，在10－5內接通定標電流，并測量正向電壓UF(T2)。

(3)結溫計算。根據公式 (1)，計算出LED工作時的結溫T2。

1.2 熱阻法

該方法也叫做微電偶接觸測量法［6］。當驅動電流改變時，正向電壓與結溫不再成線性關系，因此正向電壓法就不再適用。但LED芯片到管腳的熱阻Rθjp一般為恒定值，因此，可用下面的公式計算結溫:

式中Tj——LED芯片的結溫;

Tp——LED 管腳溫度;

Pj——LED消耗的電功率。

因此，只要知道LED的熱阻，我們可用微電偶測量管腳的溫度Tp，然后結合LED的功率，就可以得到結溫。

QB/T 4057—2010《普通照明用發光二極管 性能要求》和EIA/JESD 51—1《集成電路熱測量方法－電學測試方法 (半導體單晶粒元件)》均給出熱阻測量方法，具體內容是:在恒定電流下，用電壓法測得結溫，然后微電偶測量管腳的溫度Tp，兩者相減后除以注入功率得到熱阻。公式為:

實際試驗中，一般要求結溫比管腳溫度差大于50℃。

2 非接觸式測量法

接觸式結溫測量需要接觸被測LED的引腳．但對于封裝好的LED模塊，通常無法接觸到單個LED的引腳，接觸法無法應用，這時，非接觸式結溫測量法應運而生。

非接觸法又分成三類，第一類是測量LED的光譜特性，根據光譜與結溫的關系，推算出結溫，包括峰值波長法，藍白比法，相對輻射強度法。第二類是用紅外測溫儀直接測量，最后一種是有限元計算法。

2.1 峰值波長法

LED的發光機理是載流子帶間復合，其輻射峰值波長λp與禁帶寬度Eg成反比，即:

對于某些LED，結溫升高時，材料的禁帶寬度將減少，因此LED輻射的峰值波長變長，顏色紅移，峰值波長法就是運用該特性來測量結溫的。

2004年，Hong等人通過實驗證實，AlGaInP基紅色LED的峰值波長與結溫具有良好的線性關系，這樣，可以先測量峰值波長隨結溫的變化率，然后結合環境溫度和波長的變化量，就可以計算出結溫，計算公式如下:

式中，Ta——參考結溫溫度;

Kp——峰值波長－結溫系數。

有意義的是，對于同一批LED，Kp差別很小，因此只需測量一只LED的Kp值就可以代表整批LED了。結溫測量步驟是:

(1)測量Kp，在恒定電流下，測量不同環境溫T0，T1下的峰值波長λ0，λ1，然后計算出Kp。公式為:

(2)測量LED工作時的峰值波長和環境溫度，并結合參考結溫Ta下的峰值波長，計算出結溫。Ta一般也是環境溫度，而參考峰值波長一般為在小電流下 (小于額定電流1%的電流驅動)，LED的峰值波長。

問題是，由于結溫升高引起的峰值波長漂移并不大，當升高10℃時，峰值波長改變約1.4nm左右，這樣，測試時必會給測試結果帶來不小的誤差，若采用高精度的光譜儀，則會大大增加測試成本。并且，并非所有LED峰值波長均隨溫度線性變化，如GaN基藍光LED，峰值波長隨結溫先減小后增大［8］，這樣，該方法就不適用。

2.2 藍白比法

在恒定驅動電流下，隨著結溫升高，藍光LED芯片不僅正向電壓降低，而且內量子效率的降低，導致發光效率和發光強度降低。另外，結溫升高會導致藍光部分的峰值波長紅移。由于藍光峰的紅移，熒光粉 (YAG:Ce)的有效激發效率降低了。熒光粉發光強度的降低除了來自于藍光強度的降低，而且隨著溫度的升高，熒光粉的光轉化效率也在減小，所以熒光粉發光的減弱比藍光更顯著。也就是說，芯片的藍光發光與熒光粉發光隨結溫變化的不一致，

藍白比法正是利用這種特性來確定結溫。定義W為光譜中整個白光的功率，B為藍光部分的功率，那么比值R=W/B應該是結溫的函數。研究表明:R與結溫較好的線性關系。而且對于同一批白光LED，雖然線性關系直線的截距不同，但是直線的斜率是近似相等的。因此，可以通過測量LED光譜算得R值，然后用下面的公式得到結溫:

式中:Kγ——LED的結溫－藍白比系數。測試過程同峰值波長法類似:

(1)測量Kγ，在恒定電流下，測量不同環境溫度T0和T1下的峰值波長，然后擬合出Kγ。

式中，R0，R1——結溫為T0和T1時LED的藍白比。

(2)測量LED工作時的藍白比，結合結溫為TJ0時的藍白比，按公式 (7)計算出結溫。一般地，TJ0為環境溫度，而R0為小電流驅動時的藍白比。

缺點是，該方法僅適用于InGaN+YAG白光LED，對于其他LED，如RGB三基色混合白色LED和單色LED，該方法就不適用了。

2.3 相對輻射強度法

研究表明:在恒流源驅動LED時，相對輻射強度隨著結溫升高而線性下降，因此，可以基于相對輻射強度測量LED的結溫。其公式形式與其他非接觸法類型，為:

式中，KI——LED的結溫－相對強度系數;

T0——參考溫度;

I0——參考相對輻射強度。

測試過程如下:

(1)KI定標。

在選定定標電流I后，保持LED陣列的PN結處于恒定溫度場中 (由恒溫箱控制)，測量不同環境溫度下LED陣列的相對輻射強度值，然后計算出KI，公式:

(2)結溫計算

實測LED穩定發光時的相對輻射強度，然后代入公式 (9)，其中，T0一般為環境溫度，而I0一般為小電流驅動時LED的相對輻射強度，計算得到結溫。

2.4 紅外攝像法

紅外攝像法是紅外測溫儀測量半導體器件結溫分布的方法。

在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外線，同時，物體的紅外輻射能量及其光譜與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。

紅外測溫儀由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內置的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。

該方法測量LED結溫，成本較高，而且要求被測器件必須是未封裝或開封的狀態。同時，由于芯片不同層次熱紅外信息互相干擾形成噪聲，該方法也無法準確感應內部有源層溫度［9］，因此，測試結果有較大的誤差。

2.5 有限元法

用有限元法計算結溫時，需作如下假設 :①LED芯片是平面均勻熱源 ;②環境溫度和LED的初始溫度為恒定值;③忽略熱輻射效應;④芯片產生的熱功率恒定，與外界的熱對流系數恒定;⑤器件的外表面與周圍空氣的對流換熱系數 h為常數，周圍空氣的溫度tf為常數。那么，邊界滿足的條件為:

C——導熱系數;

tw——邊界處的溫度。當系統的溫度場不隨時間變化，即流入系統的熱量加上系統自身產生的熱量等于流出系統的熱量，系統處于熱穩態。在熱穩態分析中任意節點的溫度不隨時間變化。穩態熱分析的能量平衡方程為:(以矩陣形式表示)

式中:［K］——傳導矩陣，包含熱導率、對流系數、輻射率和形狀系數;

{T}——節點溫度向量;

{Q}——節點熱流率向量，包含熱生成。

軟件利用模型幾何參數、材料熱性能參數以及所施加的邊界條件，生成 {K}、{T}、{Q}。這樣得到了各節點的溫度，當然包括PN結溫度。

缺點是，該方法是建立在5個假設的基礎上，而實際應用中，這5個假設不一定均成立，同時，該方法需要復雜的計算。

3 結論

結溫是LED光源特有的參數，結溫的高低，反映了PN結微結構的變化，而微結構的變化當然引起了LED的光電特性、壽命等性能的變化。因此，準確測量結溫，對LED燈具的科學設計和合理使用具有重要的意義。

目前，結溫測量方法有許多報道，本文分析了常用的7種方法，給出測試原理，關鍵步驟，優缺點和適用范圍，這對LED的研究具有重要意義。

［1］毛興武，張艷雯，周建軍，等．新一代綠色光源LED及其應用技術 ［M］．北京:人民郵電出版社，2008，115～117

［2］周太明，周詳，蔡偉新．光源原理與設計 (第二版)［M］．上海:復旦大學出版社，2006，408

［3］陳元燈，陳宇．LED制造技術與應用 (第二版)［M］．北京:電子工業出版社，2007

［4］沈海平．大功率LED可靠性預測機制研究［D］．浙江大學，2008

［5］田大壘，關榮鋒，王杏．大功率白光 LED的結溫測量［J］．電子與封裝，8(12):10～14

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［10］葉炎鐘．非接觸式LED結溫測試方法研究及測試系統設計［D］．浙江大學，2008

［11］吳慧穎，錢可元，胡飛．倒裝大功率白光 LED熱場分析與測試 ［J］．光電子·激光，2005，16(5):511～515