LED结温测量方法*

饶丰 葛志晨

(1.镇江出入境检验检疫局 江苏镇江 212000;2.江苏检验检疫车灯检测实验室，江苏丹阳 212300)

1 引言

半导体发光二极管 (Light-Emitting Diode，LED)是利用半导体PN结把电能转化为光能的器件。它耗能少，稳定性高，响应时间短，无环境污染，必将成为新一代高效节能的照明光源［1～3］。

由于LED的空穴和电子相对运动，一部分能量产生有效的光电效应，发出光子;而另一部分是以发热的形式消耗掉了。目前LED的发光效率较低，绝大多数能量以热量的形式耗散了，因此，当电流通过PN结时，结温会升高，结温的变化必然导致器件微观参数的变化，如电子－空穴的浓度，禁带的宽带，电子迁移率等，从而使得器件的宏观特性发生变化，甚至使LED失效［4］。因此，准确测量LED结温，对于大功率LED灯具设计，LED失效性和可靠性分析等具有重要的意义。

对于结温测量方法，已经有不少报道，主要有:正向电压法［5］、热阻法［6］、峰值波长法［7］、蓝白比法［8］，红外摄像法［9］，相对辐射度法［10］和有限元计算法［11］。但是目前的报道多为一种测量方法的介绍或测量结果分析，鲜有这几种方法的综合报道。本文就测量LED结温的方法进行了全面的介绍，给出了不同测试方法的原理，测试步骤，优缺点。

1 接触式测量法

接触式测量法是指测试过程中需要接触到LED引脚的测试方法，该方法的核心是测量LED的电学参数，然后通过LED电热特性，计算出结温。

1.1 正向电压法

正向电压法是利用LED的PN结电输运的温度效应，通过测量工作电流下的正向电压来测算结温［5］。实验表明，在恒定电流驱动下，LED两端电压随结温线性变化，即:

式中，UF(T2)，UF(T1)——结温在 T2，T1时的 LED正向压降;

K——电压－温度系数，一般地，对于AlInGaP和InGaN这两种发光材料，其K值约为－2mV/℃。

目前，正向电压法被认为是最精确的结温测量方法。其测试过程如下:

(1)K值的测量。这是结温定量测量的关键，目的是要得到LED器件的温度－电压特性。具体方法是，在选定定标电流Is后，保持器件的PN结处于不同的恒定温度场中，测量不同结温下器件正向电压，计算出K。公式为:

式中:U'2，U'1——环境温度为 T'2，T'1时 LED 的结电压。

测量时，一般要求T'2，T'1相差50℃以上，一般地，Is不大于1%的额定电流，建议取100μA到5mA．

(2)电压的测量。首先，在标定电流Is下，测量LED两端的电压UF(T1)，由于Is很小，对LED的加热也很少，可以认为T1等于环境温度。然后，在工作温度下，将LED通电保持工作状态，达到热平衡时，断电使LED脱离工作状态，在10－5内接通定标电流，并测量正向电压UF(T2)。

(3)结温计算。根据公式 (1)，计算出LED工作时的结温T2。

1.2 热阻法

该方法也叫做微电偶接触测量法［6］。当驱动电流改变时，正向电压与结温不再成线性关系，因此正向电压法就不再适用。但LED芯片到管脚的热阻Rθjp一般为恒定值，因此，可用下面的公式计算结温:

式中Tj——LED芯片的结温;

Tp——LED 管脚温度;

Pj——LED消耗的电功率。

因此，只要知道LED的热阻，我们可用微电偶测量管脚的温度Tp，然后结合LED的功率，就可以得到结温。

QB/T 4057—2010《普通照明用发光二极管 性能要求》和EIA/JESD 51—1《集成电路热测量方法－电学测试方法 (半导体单晶粒元件)》均给出热阻测量方法，具体内容是:在恒定电流下，用电压法测得结温，然后微电偶测量管脚的温度Tp，两者相减后除以注入功率得到热阻。公式为:

实际试验中，一般要求结温比管脚温度差大于50℃。

2 非接触式测量法

接触式结温测量需要接触被测LED的引脚．但对于封装好的LED模块，通常无法接触到单个LED的引脚，接触法无法应用，这时，非接触式结温测量法应运而生。

非接触法又分成三类，第一类是测量LED的光谱特性，根据光谱与结温的关系，推算出结温，包括峰值波长法，蓝白比法，相对辐射强度法。第二类是用红外测温仪直接测量，最后一种是有限元计算法。

2.1 峰值波长法

LED的发光机理是载流子带间复合，其辐射峰值波长λp与禁带宽度Eg成反比，即:

对于某些LED，结温升高时，材料的禁带宽度将减少，因此LED辐射的峰值波长变长，颜色红移，峰值波长法就是运用该特性来测量结温的。

2004年，Hong等人通过实验证实，AlGaInP基红色LED的峰值波长与结温具有良好的线性关系，这样，可以先测量峰值波长随结温的变化率，然后结合环境温度和波长的变化量，就可以计算出结温，计算公式如下:

式中，Ta——参考结温温度;

Kp——峰值波长－结温系数。

有意义的是，对于同一批LED，Kp差别很小，因此只需测量一只LED的Kp值就可以代表整批LED了。结温测量步骤是:

(1)测量Kp，在恒定电流下，测量不同环境温T0，T1下的峰值波长λ0，λ1，然后计算出Kp。公式为:

(2)测量LED工作时的峰值波长和环境温度，并结合参考结温Ta下的峰值波长，计算出结温。Ta一般也是环境温度，而参考峰值波长一般为在小电流下 (小于额定电流1%的电流驱动)，LED的峰值波长。

问题是，由于结温升高引起的峰值波长漂移并不大，当升高10℃时，峰值波长改变约1.4nm左右，这样，测试时必会给测试结果带来不小的误差，若采用高精度的光谱仪，则会大大增加测试成本。并且，并非所有LED峰值波长均随温度线性变化，如GaN基蓝光LED，峰值波长随结温先减小后增大［8］，这样，该方法就不适用。

2.2 蓝白比法

在恒定驱动电流下，随着结温升高，蓝光LED芯片不仅正向电压降低，而且内量子效率的降低，导致发光效率和发光强度降低。另外，结温升高会导致蓝光部分的峰值波长红移。由于蓝光峰的红移，荧光粉 (YAG:Ce)的有效激发效率降低了。荧光粉发光强度的降低除了来自于蓝光强度的降低，而且随着温度的升高，荧光粉的光转化效率也在减小，所以荧光粉发光的减弱比蓝光更显著。也就是说，芯片的蓝光发光与荧光粉发光随结温变化的不一致，

蓝白比法正是利用这种特性来确定结温。定义W为光谱中整个白光的功率，B为蓝光部分的功率，那么比值R=W/B应该是结温的函数。研究表明:R与结温较好的线性关系。而且对于同一批白光LED，虽然线性关系直线的截距不同，但是直线的斜率是近似相等的。因此，可以通过测量LED光谱算得R值，然后用下面的公式得到结温:

式中:Kγ——LED的结温－蓝白比系数。测试过程同峰值波长法类似:

(1)测量Kγ，在恒定电流下，测量不同环境温度T0和T1下的峰值波长，然后拟合出Kγ。

式中，R0，R1——结温为T0和T1时LED的蓝白比。

(2)测量LED工作时的蓝白比，结合结温为TJ0时的蓝白比，按公式 (7)计算出结温。一般地，TJ0为环境温度，而R0为小电流驱动时的蓝白比。

缺点是，该方法仅适用于InGaN+YAG白光LED，对于其他LED，如RGB三基色混合白色LED和单色LED，该方法就不适用了。

2.3 相对辐射强度法

研究表明:在恒流源驱动LED时，相对辐射强度随着结温升高而线性下降，因此，可以基于相对辐射强度测量LED的结温。其公式形式与其他非接触法类型，为:

式中，KI——LED的结温－相对强度系数;

T0——参考温度;

I0——参考相对辐射强度。

测试过程如下:

(1)KI定标。

在选定定标电流I后，保持LED阵列的PN结处于恒定温度场中 (由恒温箱控制)，测量不同环境温度下LED阵列的相对辐射强度值，然后计算出KI，公式:

(2)结温计算

实测LED稳定发光时的相对辐射强度，然后代入公式 (9)，其中，T0一般为环境温度，而I0一般为小电流驱动时LED的相对辐射强度，计算得到结温。

2.4 红外摄像法

红外摄像法是红外测温仪测量半导体器件结温分布的方法。

在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外线，同时，物体的红外辐射能量及其光谱与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。

红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内置的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

该方法测量LED结温，成本较高，而且要求被测器件必须是未封装或开封的状态。同时，由于芯片不同层次热红外信息互相干扰形成噪声，该方法也无法准确感应内部有源层温度［9］，因此，测试结果有较大的误差。

2.5 有限元法

用有限元法计算结温时，需作如下假设 :①LED芯片是平面均匀热源 ;②环境温度和LED的初始温度为恒定值;③忽略热辐射效应;④芯片产生的热功率恒定，与外界的热对流系数恒定;⑤器件的外表面与周围空气的对流换热系数 h为常数，周围空气的温度tf为常数。那么，边界满足的条件为:

C——导热系数;

tw——边界处的温度。当系统的温度场不随时间变化，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量，系统处于热稳态。在热稳态分析中任意节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为:(以矩阵形式表示)

式中:［K］——传导矩阵，包含热导率、对流系数、辐射率和形状系数;

{T}——节点温度向量;

{Q}——节点热流率向量，包含热生成。

软件利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成 {K}、{T}、{Q}。这样得到了各节点的温度，当然包括PN结温度。

缺点是，该方法是建立在5个假设的基础上，而实际应用中，这5个假设不一定均成立，同时，该方法需要复杂的计算。

3 结论

结温是LED光源特有的参数，结温的高低，反映了PN结微结构的变化，而微结构的变化当然引起了LED的光电特性、寿命等性能的变化。因此，准确测量结温，对LED灯具的科学设计和合理使用具有重要的意义。

目前，结温测量方法有许多报道，本文分析了常用的7种方法，给出测试原理，关键步骤，优缺点和适用范围，这对LED的研究具有重要意义。

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