采用质心波长表征GaN基白光LED阵列的平均结温

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 光电工程学院，常州 213002）

随着半导体技术的飞速发展，发光二极管（LED）因其高效、绿色及寿命长等优点迅速普及于各照明和显示领域。P-N结温度升高是阻碍大功率LED发展的主要因素[1-4]。因此，快速、准确地测量LED结温对LED芯片设计、封装、失效检测等环节十分重要。

正向电压法是测量LED结温的国际标准方法[5]。但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[6]。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。在LED阵列结温研究方面，Hong等[7]于2004年提出峰值波长法表征AlGaInP基LED阵列结温，随后张晶晶[8]于2014年研究了GaN基LED峰值波长随结温变化的关系，结果表明，结温每变化1℃，峰值波长变化0.04nm。然而，采用峰值波长法测量阵列结温时，光谱常会多峰重叠或峰值区域平坦，准确判定峰值位置存在较大难度，同时受仪器精度限制，测量误差较大。Chen等[9]于2013年提出中心波长法，采用归一化光谱1/2高处的极限波长的平均值作为阵列平均结温。近年来，本课题组提出采用质心波长和相对光谱差异表征AlGaInP基LED阵列平均结温，结果比中心波长法更为准确，但在研究时尚未考虑电流的影响[10-11]。

GaN基白光LED阵列平均结温的变化将导致每一波长对应的相对辐射强度发生变化，而质心波长、半高全款、光谱差异等特征参数与整个光谱分布相关。同时，在不同的驱动电流下，结温对光谱的影响程度不同。因此，可以建立光谱参数与阵列平均结温的关系。基于此，本文研究了采用质心波长表征GaN基LED阵列结温的可行性。

1 测量原理

白光LED光谱受注入电流、结温、灯体散热能力等因素的影响。当结温、电流发生变化，其辐射强度必将发生变化。

质心波长λc是LED光谱的几何对称波长，计算公式如下[12]：

当给定驱动电流I0时，上述公式通过积分可表达为

式中：k为与结温相关的光谱敏感系数，定义为质心波长-平均结温系数，它随着驱动电流I的不同发生变化；为被测条件下的质心波长。

式中，T0为初始温度。

具体测量流程设计如下：

a.测量给定小电流驱动、不同温度下的归一化光谱功率分布，计算质心波长，求出质心波长-平均结温系数k；

b.改变驱动电流，测量不同电流不同温度下的归一化光谱功率分布，得到一组随驱动电流变化的k，通过拟合得出不同电流下的电流修正公式为

c.计算待测条件下对应驱动电流I的k值；

d.测量待测条件Tj下的归一化光谱功率分布，并计算质心波长，结合初始温度T0下的质心波长和系数k，代入式（4）计算出待测结温Tj；

e.将不同方法的测量结果进行对比，得出该方法的适用性和准确性。

2 实 验

实验采用改变衬底温度的方式来改变结温，进而研究光谱参数与结温间的关系。实验选择3只1WGaN基白光串联焊接在铝基板作为研究对象。由于铝基板引入的热阻并不影响本研究，将其放置在温度控制器上，热沉与铝基板、铝基板和温度控制器之间填涂导热硅胶，见图1。这样热沉温度的变化就等于温度控制器的变化。先测量20mA驱动电流下，衬底温度从25℃至65℃时白光LED阵列的光谱分布，间隔10℃，计算其质心波长。然后改变驱动电流，测量100mA至500mA，间隔50mA条件下不同衬底温度的白光LED阵列的光谱分布，计算质心波长，最后分析质心波长与结温变化的关系。

图1 测试系统结构图Fig.1 Schematic diagram of the test system

如图1所示，本实验测量系统由LED300E恒流电源、TC-100温控台、积分球、Hass2000型光谱仪、待测LED阵列等组成。LED300E恒流电源负责给样品LED供电，其误差范围为±1mA。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℃。

3 结果与讨论

3.1 白光LED阵列的归一化光谱功率分布

图2 单颗灯珠与串联阵列的归一化光谱功率分布Fig.2 Normalized spectral power distribution of a single bulb and a tandem array

图2为相同测试条件下的单颗灯珠和串联阵列的归一化光谱功率分布。两者整体光谱的质心波长分别为 536.8nm 和 535.3nm，差别为 1.5nm；半高宽分别为 165.1nm 和 158.9nm，差别为 6.2nm。由图2可以观察出，芯片发光光谱（左侧峰）差别小，其质心波长为447.9nm和448.4nm，差别为0.5nm，半高宽为33nm 和33.1nm，差别为 0.1nm；而对于荧光粉激发合成光谱（右侧峰），其光谱数据差别比较大。因此，在光谱数据处理上，选择芯片发光光谱作为研究对象。

3.2 恒定驱动电流时阵列质心波长与结温的关系

图3为350mA驱动电流时样品的质心波长随温度控制器温度（Tc）的变化曲线。由于电流恒定时，温度控制器的变化等于平均结温的变化，因此，可以看出，质心波长随结温呈线性变化，其斜率就是质心波长-平均结温系数k，样品1的k为0.028nm/℃。曲线的线性误差平均值为0.011nm，相当于结温误差0.4℃。

图3 质心波长随温度控制器温度的变化Fig.3 Variation of centroid wavelengths with the temperature of thermostat

图4 各驱动电流下的质心波长随温度控制器温度的变化Fig.4 Variation of centroid wavelengths with the temperature of thermostat under different driving currents

3.3 不同驱动电流时阵列质心波长与结温的关系

图4为样品在不同驱动电流时质心波长和Tc温度的对应关系。当驱动电流恒定时，无论20mA小电流还是350mA大电流，质心波长始终与结温呈良好的线性关系。

由表1可见，随着驱动电流的变化，虽然质心波长与结温呈线性关系，但直线斜率k发生变化。质心波长-平均结温系数k随着电流的增加而增大。将各电流下的质心波长结温系数进行拟合，从图5可见，质心波长-平均结温系数与驱动电流呈指数形式增长，式（5）拟合系数分别为-0.0077，31.35，-0.0127，527.35，0.036。

表1 不同驱动电流下质心波长-平均结温系数Tab.1 Average junction temperature coefficients of the centroid wavelength under different driving currents

图5 质心波长-平均结温系数随驱动电流的变化Fig.5 Variation of average junction temperature coefficients of the centroid wavelength with different driving currents

这样只需要知道待测条件下的驱动电流和归一化光谱分布，代入式（4）就可以计算出实时点灯时的GaN基白光LED阵列的平均结温。

3.4 测量精度分析

3.4.1 测量分辨率对比当采用瞬时脉冲电流测量LED光谱时，由于温控台和风扇的强制散热，LED阵列所产生的热量可忽略，LED阵列平均结温近似为热沉温度。图6是350mA驱动电流下，白光LED阵列的峰值波长、中心波长和质心波长随热沉温度的变化。从图上可以看出，三者均随热沉温度升高呈线性增加，其中质心波长随温度变化的线性度最好，中心波长和峰值波长随温度变化呈现台阶状上升，中心波长台阶小于峰值波长，这与实验中所采用的光谱仪的扫描步长有关。对于GaN基白光LED阵列，当结温变化20℃，峰值波长移动1nm；当结温变化10℃，中心波长移动1nm。采用最常用的1nm测量间隔的光谱仪，使用中心波长法或峰值波长法将无法精确测量出LED阵列平均结温的变动。与中心波长和峰值波长相比，温度每变化2℃，质心波长移动0.05nm，质心波长可分辨出更小的温度变化，具有更好的技术优势。

图6 3种波长随热沉温度的变化Fig.6 Variation of three wavelengths with the heat-sink temperature

3.4.2 测量准确度对比

利用本文方法测量实时工作时的LED光谱，根据式（4）计算阵列结温，并与文献[9-10]的中心波长法、质心波长法进行比较，如图7所示，具体数值如表2所示。同样测量条件下，中心波长法与质心波长法最大偏差为3℃。同时，相较于AlGaInP基LED，GaN基LED由于器件结构和封装形式的影响，会导致质心波长-平均结温系数随电流发生变化。电流差异越大，其质心波长-平均结温系数差异越大，对结温计算的影响越大，本文提出的方法与不带电流修正的质心波长法最大偏差为2.3℃。

图7 3种方法测量结果比对Fig.7 Comparison of measurement results by three methods

表2 3种方法所测量的结温结果Tab.2 Results of junction temperatures measured by three methods

4 结 论

通过对不同驱动电流、不同衬底温度下的GaN基白光LED串联阵列的光谱进行测量，研究了质心波长与平均结温的变化关系，发现两者始终保持良好的线性相关，同时其斜率随驱动电流改变呈现指数增长趋势。依据此关系，本文提出了一种用质心波长表征GaN基白光LED阵列平均结温的新方法。研究结果表明，当采用同等扫描步长光谱仪，相较于中心波长法和峰值波长法，用带电流修正系数的质心波长法测量白光LED阵列平均结温具有更高的分辨率和准确度。