浅谈功率型LED节能灯组的结温测定

浅谈功率型LED节能灯组的结温测定上海时代之光照明电器检测有限公司李为军结温作为衡量一个LED器件使用性能优劣的重要参数，是LED器件工程应用中可靠性测量的核心要素，也是LED检测产品中的主要考察对象。本文总结了目前报道过的几种测量LED器件结温技术的方法，并就其应用特点和局限性做了比对，同时结合本公司灯具热稳定性测试方法，对正向电压法测量LED结温技术方案做了一些改进。1、引言20世纪90年代中期，日本日亚化学公司的Nakamura等人经过不懈努力突破了制造蓝光LED的关键技术。GaN基蓝色LED的出现，大大扩展了LED的应用领域，从此掀开了第三代半导体材料GaN基半导体照明的革命。世界各发达国家在世纪之交纷纷推出国家级半导体照明计划，力图在新世纪抢占半导体新一轮的制高点。目前，中国在用LED照明应用方面已经走在世界的前列。据不完全统计，2009年，中国道路照明市场达2800万盏路灯，每年约新增及更换路灯达300-400万盏，创造出庞大的LED路灯市场。预测，2009年LED路灯比2008年增长178%，2011年LED路灯数量将会达到800多万盏，渗透率将会达到8.5%。当前，在进行LED应用推广方面，我国在国家层面上进行了大力扶持，2008年的北京奥运会，即将到来的2010年上海世博会和目前科技部推广的“十城万盏计划”政府示范工程以及由国家发展和改革委员会（NDRC）/联合国开发计划署（UNDP）/全球环境基金（GEF）共同发起的中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯（PILESLAMP）项目，都标志着我国大面积使用LED节能灯组的突破性开始，具有十分重大的意义。功率型LED是向固体照明发展过程中的关键器件。虽然LED照明有着诸多无可比拟的优点，要想获得实现真正意义上的第三代照明工程，仍存在测量和应用上的瓶颈，既LED器件散热和可靠性问题，特别是形成LED照明灯组后的结温状态的获取问题。由于目前照明用大功率LED灯具都是多个单管LED组装在一起构成的。如果散热系统设计不合理，LED芯片的结温就会过高，这将直接影响LED器件的性能，导致发光效率降低、寿命缩短，也使得LED的光度、色度学性能变差。本文总结了目前报道过的几种测量LED器件结温技术的方法，并就其应用特点和局限性做了比对，同时结合本公司灯具热稳定性测试方法，对正向电压法测量LED结温技术方案做了一些改进。2、LED发光特性与不同结温测定技术的比较LED(light-emittingdiode),又称发光二极管，是利用固体半导体芯片作为发光材料，通过电流注入利用电子与空穴的复合将能量以光的形式释放出来.由于衬底和外延膜的晶格不匹配效应导致LED内部存在大量地非辐射复合以及外延材料较高的反射率引起的全反射问题，使得LED结温急剧上升。结温的升高，促使晶格震动加剧，加速了LED器件的老化，极大影响其光学特性和寿命。从严格意义来说，把LEDpn结区的温度作为LED的结温，通常由于器件芯片具有很小的尺寸，因此常把LED芯片的温度定义为结温。结温作为衡量一个LED器件使用性能优劣的重要参数，是LED器件工程应用中可靠性测量的核心要素，也是LED检测产品中的主要考察对象。特别是形成LED照明灯组后的结温状态的获取成为LED照明工程应用中必须解决的关键问题。因此，准确测量半导体LED的结温具有重要的实际意义。到目前为止，国内外的各类检测结温的产品大多是利用电学性质、热学性质、光度和色度学性质等来进行结温测量。具体地测量LED结温的方法通常有以下几种：方法特点局限性适用性管脚法[1，2]是利用LED器件的热输运性质，通过测量管脚温度和芯片耗散功率和热阻系数求得结温。探温线与电极接触会引入寄生电阻；外环氧封装顶端到芯片的距离高度也会影响最终测试结果[3]。单管LED蓝白比法[4,5]是一种非接触的测量方法，是利用白光LED电致发光光谱中，蓝光与白光的功率比值随结温变化关系来测量结温。比例系数没规律，可能相同类型白光LED有不同的比例参数。单管LED红外热成是常用的测量结温分布的方法，但是对LED封装材料单管LED，像法[6]其成本高，速度慢，红外仪器分辨率大于1mm，特别是对典型LED小芯片尺寸来说，而且测量器件要求处于未封装或开封的状态。折射率有特殊要求。开封状态向列型液晶热成像技术[3]是利用向列型液晶各向异性到各向同性的转变温度点变化来测定LED结温。优点就是清楚地观察到LED芯片表面不同位置的工作温度状况。对仪器分辨率要求高，只争对裸晶，既未封装的单个芯片而言。单管LED，开封状态利用发光峰位测定结温技术[7,8]是一种非接触的测量方法，是一种直接从发光光谱确定禁带宽度移动技术来测量结温。对光谱测试仪器分辨精度要求较高，发光峰位的精度测定难度较大。单管LED或LED灯组这些方法要么局限在对于单管或未封装LED器件的测量，要么对测量仪器的分辨率的精度依赖较高。例如，利用发光峰位测定结温技术中，发光峰峰宽约10纳米将使得常规方法对于峰位确定会形成1纳米的误差，而峰位1纳米的误差变化就对应着测量结温约30度的变化。这么大的误差，使得测试结果的可靠性大大降低。特别是对新型的GaN基LED照明器件而言，由于量子阱中In组分的非均匀分布导致发光峰位线形呈现本质的非对称性特性，而且有的发光峰较宽或精细的发光光谱峰位线形呈现类锯齿状的峰形[见下图1]，这都给发光峰位的准确判定带来较大的难度。而电压参数法测定结温技术就可有效避免这一问题。420440460480500520540560030060090012004604704804904008001200波长(nm)电致发光强度(a.u)电致发光强度(a.u)波长(nm)图1典型GaN基多量子阱LED电致发光光谱。插图为发光峰位的放大。3、电压参数法测定结温的改进方案由于LED器件是依靠电子与空穴在pn结区进行复合发光，pn结既是光产生的区域，也可作为一个温度传感器件，在恒定电流条件下，可以利用pn结两端的电压降与结温变化的线形关系来测定LED器件的结温，这也就是目前国际上通用的标准方法---电学参数法[9]。根据现有的研究结果表明[10,11]，LED结温与LEDpn结端电压的改变相关联，具体地可以用下式表示：KVVTTOtOJ（1）HiLoHiLoTTKVV(2)公式(1)中，TJ为测试条件稳定时LED的结温，T0为环境参考温度，Vt为器件在测试条件的电压[V]；V0作为在参考环境温度下的参考电压[V]，K为温度敏感系数[C/mV]。温度敏感系数可以由公式（2）表示，式（2）中，&HiLoTT表示为高&低温度[C]；&HiLoVV相应的表示为高温&低温下LED器件两端的电压[mV]。式（2）中K因数的确定要考虑的因素有很多。其中，最关键的是在测量电流的选择上，选择的测量电流（IM）必须足够的大，以便获得一个不被表面漏电流的影响的可靠的正向电压读数，但也要足够的小，以便不会引起器件产生明显的自热行为。按照JSED51-1标准规定，IM值将应在二极管特性I-V曲线的“Knee”周围区域内选择，而I-V特性曲线和LED器件或灯组的内封装芯片结构组成、电极结构和封装材料相关联，有的LED器件或灯组I-V曲线中的“Knee”特性并不明显，这就给合适测量电流IM的选择带来难度，为准确挑选一合适测试电流值来避免因测试电流的选择而带来的误差，我们把灯具稳定性测试监控技术引入电压参数法测试LED结温技术之中。具体测试装置组建结构简图如图2。图2结温测试装置搭建简图。1恒温箱；2待测器件；3LED器件或灯组供电电源；4电压表；5无纸记录仪；6电阻温度探测器（RTD）；7恒温箱腔体加热电源。利用选定的IM，使装入恒温箱中的LED灯或灯组在IM下正向偏置。记录两个或多个不同平衡温度条件LED器件的正向电压。由于IM是特殊选择的，其将不会造成待测器件本身明显的自热，利用温度与LED器件正向偏置电压两者之间的变化关系来最终标定K因子。结合公司灯具热稳定性监控技术手段并参考目前常用电压法LED结温测定的方法，我们重新设计了电压参数法LED器件结温测定方案，实施操作流程如下：1电流IM的选定：在将LED器件或灯组装入温度可控的恒温箱内之前进行I-V特性测试，依照JESD51-1标准规定选定测试电流范围，并依照灯具热稳定技术要求规定的布线技术在位监控灯具各布线点的温度，确定选择的测试电流不会造成测试器件明显的自热现象，并最终确定测试电流IM值。2将被测试样品LED器件或灯组置于温度可控的恒温箱内，测试LED器件无电流输入时恒温箱内的温度TL0。3利用1中所选定的测试电流IM快速点亮LED器件，记下此时的测试器件端电压值VL0。4关闭LED器件供电电源，利用热电偶将恒温箱温度升高到某一特定温度，用无纸记录仪监控测试器件温度，待LED器件温度与恒温箱设定温度都达到热平衡态时，快速点亮LED，同时记录下LED器件的输入电压VHi和烤箱温度THi。123456725利用公式（2）计算出K因子系数。6再将LED输入电流调到额定值（例如I=350mA），待被测LED器件或灯组温度达到热平衡态时，记录此时LED器件或灯组两端的电压Vt。7然后降低LED的输入电流到某一值，待其温度重新达到热平衡态，测量LED器件正向端电压值V0。8利用4、5、6和7并结合公式2可求得LED器件或灯组的结温TJ。4小结照明节能是国际发展的趋势。目前，中国在用LED照明应用方面已经走在世界的前列，然而要真正使得LED照明成为今后照明的主流，其可靠性是非常重要的，决定其可靠性的关键是LED器件pn结的结温。如果LED照明器件散热系统设计不合理，LED芯片的结温就会过高，这将直接影响LED器件的性能，导致发光效率降低、寿命缩短，也使得LED的光度、色度学性能变差。本文综合归纳了报道过的几种测量LED器件结温技术的方法，并就其应用特点和局限性做了比对，同时结合本公司灯具热稳定性测试方法，对正向电压法测量LED结温技术提出了改进方案。参考文献[1]GuYimin,NarendranN.Anon-contactmethodfordeterminingjunctiontemperatureofphosphorconvertedwhiteLEDs,ThirdInternationalConferenceonSolidStateLighting,ProceedingsofSPIE5187:107-114,2004.[2]GroveAS,PhysicsandTechnologyofSemiconductorDevices.Beijing:SciencePress,232-234,1976.[3]WoongJoonHwang,TaeHeeLee,LanKim,andMooWhanShin，DeterminationofjunctiontemperatureandthermalresistanceintheGaN-basedLEDsusingdirecttemperaturemeasurement,Physstatsol(1),2429-2433,2004.[4]YiminGu,NadarajahNarendran,LifeofLED-BasedWhiteLightSources,SPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering;SPIEVol.5187,2003.[5]N.Narendran,Y.Gu,R.Hosseinzadeh,Estimatingjunctiontemperatureofhigh-fluxwhiteLEDs,in:ProceedingsofSPIE.TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,SanJose,CA,UnitedStates,158-160,2004.[6]E.HongandN.Narendran,Amethodforprojectingusefullifeo