LED芯片結溫測試與熱成像技術分析

摘 要：本文以LED為研究對象，以電學測量法測試LED芯片結溫，分析加熱電流對結溫的影響。初步探討采用紅外熱成像技術分析LED溫度進而推算LED芯片結溫的可行性。結果表明LED樣品結溫大小與加熱電流變化近似線性，熱成像測得LED溫度數據與結溫變化規律較為一致。

關鍵詞：LED芯片 結溫測量 紅外熱成像

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0004-02

當今時代，能源問題極其重要。在照明領域內，發光二極管（light emitting diodes，LED）以其效率高、壽命長、節能等特點，成為新一代照明產品。LED的光學性能和電性能與LED內部P-N結的溫度（即LED結溫）有著密切的內在聯系。當LED正常工作時，結溫逐漸增高，使得LED器件流子的復合效率降低，出射光子必然減弱，導致LED輸出光及照明品質的下降。因此研究可靠、快速地測量LED結溫的方法成為光電照明工程研究的熱點。[1～2]

LED結溫測量的方法有多種，其中電學參數測量法是常用的一種。本文首先運用此方法，以1 W單顆LED（6500 K冷白光）為研究對象，分析測試結溫與加熱電流的關系。此外，采用基于紅外測溫原理的紅外熱成像技術，在不破壞LED結構、非接觸的前提下測試并獲取LED溫度峰值點和溫度圖像，分析LED紅外熱成像技術與電學參數測量結溫這兩種測試方法之間是否具有某種聯系或變化規律。

1 測試設備及實驗

電學參數測量結溫所需設備及測試系統裝置如圖1所示。該套系統為浙江大學三色光電儀器SPR-300LED結溫測試系統，分別包括小型積分球（直徑為0.5 m）、LED-220T溫度控制儀、恒溫底座、驅動電源、溫度反饋系統以及結溫數據處理軟件，圖1中的5所示為LED樣品在系統中的安裝位置，即位于積分球的內側壁。

測試步驟：（1）樣品LED型號：美國普瑞BXCE4545450-F1-z的1 W（6500 K）貼片式LED，該樣品性能穩定；（2）LED接通驅動電源后，LED安裝在位于積分球側壁的恒溫底座上，背面緊貼底座，使溫度傳遞達到最理想狀態。把溫度控制儀、溫度反饋測試儀的探頭連接到恒溫基座上。實驗時將電源設定為穩流模式，調諧電流大小驅動LED器件；底座的溫度測試儀實時采樣反饋溫度；（3）結溫測試系統完成設置后開始實驗，先測量K系數值；（4）在其它實驗條件不變的前提下，選取若干個特定加熱電流值，測得LED樣品的結溫，記錄相關測量結果。

2 加熱電流對結溫的影響

從原理上理解，結溫與加熱電流的關系非常密切。但兩者之間在數學上究竟屬于指數變化、線性變化、還是非線性變化的關聯，研究較少。我們在分析結溫與加熱電流的聯系時，將測試系統中的被測樣品的初始小電流設定為30 mA，將加熱時間設置為10 mins，其它溫度、濕度及連接方式等測試條件均保持不變。系統中設置加熱電流的數值從100 mA開始，依次以50 mA遞增，以此對樣品結溫進行精密分析。實驗結束后，獲得的結果如下：各加熱電流對應的LED器件結溫分別為：100 mA-36.01 ℃、150 mA-44.75 ℃、200 mA-52.11 ℃、250 mA-62.01 ℃、300 mA-71.46 ℃、350 mA-81.71 ℃和400 mA-92.53 ℃。將數據繪制成LED結溫-加熱電流坐標圖，得到圖2中的離散點。對離散數據點依次運用指數擬合、對數擬合、乘冪擬合、非線性擬合以及線性回歸擬合曲線進行預測分析。結果如圖2中的擬合曲線所示：結溫在100 mA～400 mA范圍內，一元線性回歸擬合曲線最符合離散數組的變化規律，即近似線性變化。圖2同時也給出了擬合曲線的線性公式Y=0.1877×X+16.006（其中X：加熱電流，Y：LED器件的結溫。）

我們分析結溫和加熱電流的關系，得到結果有：（1）不同的加熱電流，結溫并不是穩定不變，而是相應產生較大數值變化；（2）二者近似線性的數學關系，其表征的物理意義在于：加熱電流對LED的結溫具有定量可調諧功能，且可調電流范圍寬、調控幅度顯著。而LED的光通量、光效等性能指標較大程度地依賴結溫，所以這一現象對于開發可調諧LED照明產品、顯示產品，以及合理延長LED壽命、提升照明產品可靠性都具有重要意義。

3 紅外熱成像測試LED

紅外線熱成像技術是指通過紅外成像測量儀測量物體輻射熱能的技術。物體的熱能或紅外線能量因其波長過長，無法被人眼感知，屬于不可見光。但熱能作為電磁頻譜的一部分，可被探測到熱度數據。物體溫度越高，即物體的熱輻射能量的越大，向外輻射的紅外線則越多。人們利用這一特點可以方便地進行非接觸的溫度測量和熱狀態分析，從而為工業生產、保護環境等方面提供重要的檢測和診斷工具。功能全面的紅外熱像儀則能掃描生成一幅原本并不可見的紅外輻射圖像，實現非接觸式的精準無損測溫。

LED結溫是半導體發光二極管內部P-N結的溫度，因其包含在LED內部，顯然不能直接測量。因此，我們希望通過分析LED表面溫度變化，嘗試推知其結溫范圍和近似結果。實驗中，運用手持式紅外熱成像儀，同步測試并記錄了不同加熱電流150 mA、250 mA、350 mA、450 mA條件下LED樣品的紅外熱成像圖（見圖3）及具體峰值溫度數據： 31.5℃，43.9℃，55.3℃，75.0℃。將本文第2、3部分電參數測量法所得結溫數據與紅外熱成像方法的LED溫度最大值進行對比（見圖4）。圖中橫坐標是加熱電流（mA），縱坐標是溫度（℃），藍色數據點為電參數測量法的結溫數據，紅色數據點為紅外熱成像采集的數據。

我們發現：相同條件下熱成像所測溫度值均低于LED結溫，但二者隨著加熱電流的增加而上升的規律較為接近，數據和規律具有關聯性。圖4還可得知，LED紅外熱成像的數據也符合近似線性，差異在于紅外熱成像溫度數據變化的斜率略小于電參數測試的結溫變化斜率，表明熱成像測得溫度增加較緩慢，沒有結溫的變化迅速。這可能是由于LED外部溫度受環境影響明顯，溫度越高時與環境溫差越大，熱傳遞更加迅速，從而數值變化沒有LED器件內部的P-N結溫變化顯著。即便如此，兩組數據之間有望通過進一步的分析計算找到數學函數關系。

4 結語

我們選取1 W LED樣品顆粒，用電學參數測量法分析了結溫及變化規律，并用紅外熱成像技術加以輔助分析，得到相關的數據和結論：（1）樣品LED結溫大小并不是固定值，而是與加熱電流密切相關，結溫與加熱電流數據經擬合分析符合近似線性規律；（2）物理意義上，證明了加熱電流對LED結溫具有調諧功能；（3）紅外熱成像技術測得LED溫度數據符合LED結溫變化規律，二者數據具有一定的關聯；（4）初步論證了非接觸測量與診斷LED結溫的可行性，接下來可進一步研究兩者之間的修正函數關系，實現以非接觸無損測量的方法精密可靠地分析LED結溫。LED將越來越廣泛地應用，科研檢測機構以多種分析手段來全面研究LED指標，更加快速準確地掌握LED的性能，對于充分發揮LED新一代照明的功能必將起到非常重要的作用。

參考文獻

[1] HELIOTOTIS G，Spectral conversion of InGaN ultraviolet microcavity light emitting diodes using fluonne based red，green，blue and white lighe emitting polymer overlayer films [J].Appl，Phys，Lett，2005，87：503-505.

[2] 蔡怡，朱騰飛，張俊.一種小型分布式光色度計的設計[J].光學儀器，2012，34（3）：27～32.endprint

摘 要：本文以LED為研究對象，以電學測量法測試LED芯片結溫，分析加熱電流對結溫的影響。初步探討采用紅外熱成像技術分析LED溫度進而推算LED芯片結溫的可行性。結果表明LED樣品結溫大小與加熱電流變化近似線性，熱成像測得LED溫度數據與結溫變化規律較為一致。

關鍵詞：LED芯片 結溫測量 紅外熱成像

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0004-02

當今時代，能源問題極其重要。在照明領域內，發光二極管（light emitting diodes，LED）以其效率高、壽命長、節能等特點，成為新一代照明產品。LED的光學性能和電性能與LED內部P-N結的溫度（即LED結溫）有著密切的內在聯系。當LED正常工作時，結溫逐漸增高，使得LED器件流子的復合效率降低，出射光子必然減弱，導致LED輸出光及照明品質的下降。因此研究可靠、快速地測量LED結溫的方法成為光電照明工程研究的熱點。[1～2]

LED結溫測量的方法有多種，其中電學參數測量法是常用的一種。本文首先運用此方法，以1 W單顆LED（6500 K冷白光）為研究對象，分析測試結溫與加熱電流的關系。此外，采用基于紅外測溫原理的紅外熱成像技術，在不破壞LED結構、非接觸的前提下測試并獲取LED溫度峰值點和溫度圖像，分析LED紅外熱成像技術與電學參數測量結溫這兩種測試方法之間是否具有某種聯系或變化規律。

1 測試設備及實驗

電學參數測量結溫所需設備及測試系統裝置如圖1所示。該套系統為浙江大學三色光電儀器SPR-300LED結溫測試系統，分別包括小型積分球（直徑為0.5 m）、LED-220T溫度控制儀、恒溫底座、驅動電源、溫度反饋系統以及結溫數據處理軟件，圖1中的5所示為LED樣品在系統中的安裝位置，即位于積分球的內側壁。

測試步驟：（1）樣品LED型號：美國普瑞BXCE4545450-F1-z的1 W（6500 K）貼片式LED，該樣品性能穩定；（2）LED接通驅動電源后，LED安裝在位于積分球側壁的恒溫底座上，背面緊貼底座，使溫度傳遞達到最理想狀態。把溫度控制儀、溫度反饋測試儀的探頭連接到恒溫基座上。實驗時將電源設定為穩流模式，調諧電流大小驅動LED器件；底座的溫度測試儀實時采樣反饋溫度；（3）結溫測試系統完成設置后開始實驗，先測量K系數值；（4）在其它實驗條件不變的前提下，選取若干個特定加熱電流值，測得LED樣品的結溫，記錄相關測量結果。

2 加熱電流對結溫的影響

從原理上理解，結溫與加熱電流的關系非常密切。但兩者之間在數學上究竟屬于指數變化、線性變化、還是非線性變化的關聯，研究較少。我們在分析結溫與加熱電流的聯系時，將測試系統中的被測樣品的初始小電流設定為30 mA，將加熱時間設置為10 mins，其它溫度、濕度及連接方式等測試條件均保持不變。系統中設置加熱電流的數值從100 mA開始，依次以50 mA遞增，以此對樣品結溫進行精密分析。實驗結束后，獲得的結果如下：各加熱電流對應的LED器件結溫分別為：100 mA-36.01 ℃、150 mA-44.75 ℃、200 mA-52.11 ℃、250 mA-62.01 ℃、300 mA-71.46 ℃、350 mA-81.71 ℃和400 mA-92.53 ℃。將數據繪制成LED結溫-加熱電流坐標圖，得到圖2中的離散點。對離散數據點依次運用指數擬合、對數擬合、乘冪擬合、非線性擬合以及線性回歸擬合曲線進行預測分析。結果如圖2中的擬合曲線所示：結溫在100 mA～400 mA范圍內，一元線性回歸擬合曲線最符合離散數組的變化規律，即近似線性變化。圖2同時也給出了擬合曲線的線性公式Y=0.1877×X+16.006（其中X：加熱電流，Y：LED器件的結溫。）

我們分析結溫和加熱電流的關系，得到結果有：（1）不同的加熱電流，結溫并不是穩定不變，而是相應產生較大數值變化；（2）二者近似線性的數學關系，其表征的物理意義在于：加熱電流對LED的結溫具有定量可調諧功能，且可調電流范圍寬、調控幅度顯著。而LED的光通量、光效等性能指標較大程度地依賴結溫，所以這一現象對于開發可調諧LED照明產品、顯示產品，以及合理延長LED壽命、提升照明產品可靠性都具有重要意義。

3 紅外熱成像測試LED

紅外線熱成像技術是指通過紅外成像測量儀測量物體輻射熱能的技術。物體的熱能或紅外線能量因其波長過長，無法被人眼感知，屬于不可見光。但熱能作為電磁頻譜的一部分，可被探測到熱度數據。物體溫度越高，即物體的熱輻射能量的越大，向外輻射的紅外線則越多。人們利用這一特點可以方便地進行非接觸的溫度測量和熱狀態分析，從而為工業生產、保護環境等方面提供重要的檢測和診斷工具。功能全面的紅外熱像儀則能掃描生成一幅原本并不可見的紅外輻射圖像，實現非接觸式的精準無損測溫。

LED結溫是半導體發光二極管內部P-N結的溫度，因其包含在LED內部，顯然不能直接測量。因此，我們希望通過分析LED表面溫度變化，嘗試推知其結溫范圍和近似結果。實驗中，運用手持式紅外熱成像儀，同步測試并記錄了不同加熱電流150 mA、250 mA、350 mA、450 mA條件下LED樣品的紅外熱成像圖（見圖3）及具體峰值溫度數據： 31.5℃，43.9℃，55.3℃，75.0℃。將本文第2、3部分電參數測量法所得結溫數據與紅外熱成像方法的LED溫度最大值進行對比（見圖4）。圖中橫坐標是加熱電流（mA），縱坐標是溫度（℃），藍色數據點為電參數測量法的結溫數據，紅色數據點為紅外熱成像采集的數據。

我們發現：相同條件下熱成像所測溫度值均低于LED結溫，但二者隨著加熱電流的增加而上升的規律較為接近，數據和規律具有關聯性。圖4還可得知，LED紅外熱成像的數據也符合近似線性，差異在于紅外熱成像溫度數據變化的斜率略小于電參數測試的結溫變化斜率，表明熱成像測得溫度增加較緩慢，沒有結溫的變化迅速。這可能是由于LED外部溫度受環境影響明顯，溫度越高時與環境溫差越大，熱傳遞更加迅速，從而數值變化沒有LED器件內部的P-N結溫變化顯著。即便如此，兩組數據之間有望通過進一步的分析計算找到數學函數關系。

4 結語

我們選取1 W LED樣品顆粒，用電學參數測量法分析了結溫及變化規律，并用紅外熱成像技術加以輔助分析，得到相關的數據和結論：（1）樣品LED結溫大小并不是固定值，而是與加熱電流密切相關，結溫與加熱電流數據經擬合分析符合近似線性規律；（2）物理意義上，證明了加熱電流對LED結溫具有調諧功能；（3）紅外熱成像技術測得LED溫度數據符合LED結溫變化規律，二者數據具有一定的關聯；（4）初步論證了非接觸測量與診斷LED結溫的可行性，接下來可進一步研究兩者之間的修正函數關系，實現以非接觸無損測量的方法精密可靠地分析LED結溫。LED將越來越廣泛地應用，科研檢測機構以多種分析手段來全面研究LED指標，更加快速準確地掌握LED的性能，對于充分發揮LED新一代照明的功能必將起到非常重要的作用。

參考文獻

[1] HELIOTOTIS G，Spectral conversion of InGaN ultraviolet microcavity light emitting diodes using fluonne based red，green，blue and white lighe emitting polymer overlayer films [J].Appl，Phys，Lett，2005，87：503-505.

[2] 蔡怡，朱騰飛，張俊.一種小型分布式光色度計的設計[J].光學儀器，2012，34（3）：27～32.endprint

摘 要：本文以LED為研究對象，以電學測量法測試LED芯片結溫，分析加熱電流對結溫的影響。初步探討采用紅外熱成像技術分析LED溫度進而推算LED芯片結溫的可行性。結果表明LED樣品結溫大小與加熱電流變化近似線性，熱成像測得LED溫度數據與結溫變化規律較為一致。

關鍵詞：LED芯片 結溫測量 紅外熱成像

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0004-02

當今時代，能源問題極其重要。在照明領域內，發光二極管（light emitting diodes，LED）以其效率高、壽命長、節能等特點，成為新一代照明產品。LED的光學性能和電性能與LED內部P-N結的溫度（即LED結溫）有著密切的內在聯系。當LED正常工作時，結溫逐漸增高，使得LED器件流子的復合效率降低，出射光子必然減弱，導致LED輸出光及照明品質的下降。因此研究可靠、快速地測量LED結溫的方法成為光電照明工程研究的熱點。[1～2]

LED結溫測量的方法有多種，其中電學參數測量法是常用的一種。本文首先運用此方法，以1 W單顆LED（6500 K冷白光）為研究對象，分析測試結溫與加熱電流的關系。此外，采用基于紅外測溫原理的紅外熱成像技術，在不破壞LED結構、非接觸的前提下測試并獲取LED溫度峰值點和溫度圖像，分析LED紅外熱成像技術與電學參數測量結溫這兩種測試方法之間是否具有某種聯系或變化規律。

1 測試設備及實驗

電學參數測量結溫所需設備及測試系統裝置如圖1所示。該套系統為浙江大學三色光電儀器SPR-300LED結溫測試系統，分別包括小型積分球（直徑為0.5 m）、LED-220T溫度控制儀、恒溫底座、驅動電源、溫度反饋系統以及結溫數據處理軟件，圖1中的5所示為LED樣品在系統中的安裝位置，即位于積分球的內側壁。

測試步驟：（1）樣品LED型號：美國普瑞BXCE4545450-F1-z的1 W（6500 K）貼片式LED，該樣品性能穩定；（2）LED接通驅動電源后，LED安裝在位于積分球側壁的恒溫底座上，背面緊貼底座，使溫度傳遞達到最理想狀態。把溫度控制儀、溫度反饋測試儀的探頭連接到恒溫基座上。實驗時將電源設定為穩流模式，調諧電流大小驅動LED器件；底座的溫度測試儀實時采樣反饋溫度；（3）結溫測試系統完成設置后開始實驗，先測量K系數值；（4）在其它實驗條件不變的前提下，選取若干個特定加熱電流值，測得LED樣品的結溫，記錄相關測量結果。

2 加熱電流對結溫的影響

從原理上理解，結溫與加熱電流的關系非常密切。但兩者之間在數學上究竟屬于指數變化、線性變化、還是非線性變化的關聯，研究較少。我們在分析結溫與加熱電流的聯系時，將測試系統中的被測樣品的初始小電流設定為30 mA，將加熱時間設置為10 mins，其它溫度、濕度及連接方式等測試條件均保持不變。系統中設置加熱電流的數值從100 mA開始，依次以50 mA遞增，以此對樣品結溫進行精密分析。實驗結束后，獲得的結果如下：各加熱電流對應的LED器件結溫分別為：100 mA-36.01 ℃、150 mA-44.75 ℃、200 mA-52.11 ℃、250 mA-62.01 ℃、300 mA-71.46 ℃、350 mA-81.71 ℃和400 mA-92.53 ℃。將數據繪制成LED結溫-加熱電流坐標圖，得到圖2中的離散點。對離散數據點依次運用指數擬合、對數擬合、乘冪擬合、非線性擬合以及線性回歸擬合曲線進行預測分析。結果如圖2中的擬合曲線所示：結溫在100 mA～400 mA范圍內，一元線性回歸擬合曲線最符合離散數組的變化規律，即近似線性變化。圖2同時也給出了擬合曲線的線性公式Y=0.1877×X+16.006（其中X：加熱電流，Y：LED器件的結溫。）

我們分析結溫和加熱電流的關系，得到結果有：（1）不同的加熱電流，結溫并不是穩定不變，而是相應產生較大數值變化；（2）二者近似線性的數學關系，其表征的物理意義在于：加熱電流對LED的結溫具有定量可調諧功能，且可調電流范圍寬、調控幅度顯著。而LED的光通量、光效等性能指標較大程度地依賴結溫，所以這一現象對于開發可調諧LED照明產品、顯示產品，以及合理延長LED壽命、提升照明產品可靠性都具有重要意義。

3 紅外熱成像測試LED

紅外線熱成像技術是指通過紅外成像測量儀測量物體輻射熱能的技術。物體的熱能或紅外線能量因其波長過長，無法被人眼感知，屬于不可見光。但熱能作為電磁頻譜的一部分，可被探測到熱度數據。物體溫度越高，即物體的熱輻射能量的越大，向外輻射的紅外線則越多。人們利用這一特點可以方便地進行非接觸的溫度測量和熱狀態分析，從而為工業生產、保護環境等方面提供重要的檢測和診斷工具。功能全面的紅外熱像儀則能掃描生成一幅原本并不可見的紅外輻射圖像，實現非接觸式的精準無損測溫。

LED結溫是半導體發光二極管內部P-N結的溫度，因其包含在LED內部，顯然不能直接測量。因此，我們希望通過分析LED表面溫度變化，嘗試推知其結溫范圍和近似結果。實驗中，運用手持式紅外熱成像儀，同步測試并記錄了不同加熱電流150 mA、250 mA、350 mA、450 mA條件下LED樣品的紅外熱成像圖（見圖3）及具體峰值溫度數據： 31.5℃，43.9℃，55.3℃，75.0℃。將本文第2、3部分電參數測量法所得結溫數據與紅外熱成像方法的LED溫度最大值進行對比（見圖4）。圖中橫坐標是加熱電流（mA），縱坐標是溫度（℃），藍色數據點為電參數測量法的結溫數據，紅色數據點為紅外熱成像采集的數據。

我們發現：相同條件下熱成像所測溫度值均低于LED結溫，但二者隨著加熱電流的增加而上升的規律較為接近，數據和規律具有關聯性。圖4還可得知，LED紅外熱成像的數據也符合近似線性，差異在于紅外熱成像溫度數據變化的斜率略小于電參數測試的結溫變化斜率，表明熱成像測得溫度增加較緩慢，沒有結溫的變化迅速。這可能是由于LED外部溫度受環境影響明顯，溫度越高時與環境溫差越大，熱傳遞更加迅速，從而數值變化沒有LED器件內部的P-N結溫變化顯著。即便如此，兩組數據之間有望通過進一步的分析計算找到數學函數關系。

4 結語

我們選取1 W LED樣品顆粒，用電學參數測量法分析了結溫及變化規律，并用紅外熱成像技術加以輔助分析，得到相關的數據和結論：（1）樣品LED結溫大小并不是固定值，而是與加熱電流密切相關，結溫與加熱電流數據經擬合分析符合近似線性規律；（2）物理意義上，證明了加熱電流對LED結溫具有調諧功能；（3）紅外熱成像技術測得LED溫度數據符合LED結溫變化規律，二者數據具有一定的關聯；（4）初步論證了非接觸測量與診斷LED結溫的可行性，接下來可進一步研究兩者之間的修正函數關系，實現以非接觸無損測量的方法精密可靠地分析LED結溫。LED將越來越廣泛地應用，科研檢測機構以多種分析手段來全面研究LED指標，更加快速準確地掌握LED的性能，對于充分發揮LED新一代照明的功能必將起到非常重要的作用。

參考文獻

[1] HELIOTOTIS G，Spectral conversion of InGaN ultraviolet microcavity light emitting diodes using fluonne based red，green，blue and white lighe emitting polymer overlayer films [J].Appl，Phys，Lett，2005，87：503-505.

[2] 蔡怡，朱騰飛，張俊.一種小型分布式光色度計的設計[J].光學儀器，2012，34（3）：27～32.endprint