大功率LED結(jié)溫與器件表面溫度關(guān)系的研究

朱簡(jiǎn)約 李樂(lè)天 陳 乾

(1東南大學(xué)物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江蘇 南京 211189; 2南京師范大學(xué)附屬中學(xué)江寧分校，江蘇 南京 211102; 3東南大學(xué)吳健雄學(xué)院，江蘇 南京 211189)

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物理實(shí)驗(yàn)

大功率LED結(jié)溫與器件表面溫度關(guān)系的研究

朱簡(jiǎn)約1,2李樂(lè)天1,3陳 乾1

(1東南大學(xué)物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江蘇 南京 211189;2南京師范大學(xué)附屬中學(xué)江寧分校，江蘇 南京 211102;3東南大學(xué)吳健雄學(xué)院，江蘇 南京 211189)

本文利用東南大學(xué)自主研發(fā)的LED熱學(xué)特性實(shí)驗(yàn)儀，通過(guò)脈沖電流法對(duì)常見(jiàn)的大功率白光LED燈珠的結(jié)溫和器件表面溫度進(jìn)行了測(cè)量，深入研究了LED燈在升溫和降溫過(guò)程中溫度的變化規(guī)律，并給出了結(jié)溫和表面溫度的定量關(guān)系。一方面，該工作對(duì)工程技術(shù)領(lǐng)域中的相關(guān)研究有一定的實(shí)際意義；另一方面，該課題實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能幫助學(xué)生理解與PN結(jié)和LED相關(guān)的物理概念和基本原理，使他們體會(huì)到物理與現(xiàn)代工程技術(shù)的密切聯(lián)系，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)物理的興趣。

發(fā)光二極管；PN結(jié)；結(jié)溫；表面溫度；脈沖電流法

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)是一種對(duì)溫度依賴性較強(qiáng)的光源，其結(jié)溫的變化會(huì)引起發(fā)光效率的顯著變化和發(fā)光波長(zhǎng)的漂移等現(xiàn)象[1]。特別是，近年來(lái)隨著LED功率的不斷提高, 如何控制大功率LED的結(jié)溫，對(duì)防止因溫度過(guò)高導(dǎo)致發(fā)光效率降低、器件壽命縮短等一系列問(wèn)題，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義[2,3]。因此，研究大功率LED的熱學(xué)特性和散熱是工程技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，而如何快速、準(zhǔn)確地測(cè)量芯片結(jié)溫則是該研究方向面臨的首要問(wèn)題[4-7]。由于LED芯片尺寸很小且被熒光粉和樹(shù)脂膠包裹密封，如圖1所示，其結(jié)溫?zé)o法直接測(cè)量。從容易測(cè)量的器件表面溫度入手，研究其和結(jié)溫變化存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繼而間接得到結(jié)溫的變化規(guī)律是值得探究的課題。本文利用東南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的LED熱學(xué)特性研究與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀, 通過(guò)脈沖電流法對(duì)常見(jiàn)的大功率白光LED燈珠的結(jié)溫和器件表面溫度間關(guān)系進(jìn)行了測(cè)量，并分析討論了其對(duì)時(shí)間的變化規(guī)律。

圖1 實(shí)驗(yàn)中所使用的LED基本結(jié)構(gòu)示意圖

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

本實(shí)驗(yàn)所使用LED燈珠的功率為1W，工作電壓約為3V，額定電流約為300mA。燈珠的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，LED芯片核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體的PN結(jié)，所謂LED的結(jié)溫指的就是PN結(jié)的溫度TJ。本文需要在準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)溫的前提下展開(kāi)對(duì)結(jié)溫和器件表面溫度TB關(guān)系的研究，因此采用了一種較為新穎準(zhǔn)確的脈沖法測(cè)量結(jié)溫，該方法于2008年由美國(guó)NIST實(shí)驗(yàn)室提出[8]。其核心思想是通過(guò)脈沖電流來(lái)限制結(jié)溫TJ的持續(xù)上升，使之與器件表面溫度TB接近一致。當(dāng)給待測(cè)LED燈通入一個(gè)幅值為額定值的脈沖電流時(shí)，芯片在通電狀態(tài)的脈沖內(nèi)正常發(fā)光并升溫，在斷開(kāi)狀態(tài)的脈沖外則關(guān)閉并降溫。從整體效果來(lái)看，只要脈沖占空比足夠小，LED的芯片溫度能維持和表面溫度一致，如圖2(a)所示。只要在通電脈沖內(nèi)同步采樣電壓值，并借助溫控儀就能在脈沖電流下定標(biāo)出芯片兩端的電壓—溫度曲線。由于在電流一定時(shí)，特定PN結(jié)的壓降僅和結(jié)溫有關(guān)，所以在有了LED的電壓—溫度曲線后，只需測(cè)量正常工作時(shí)LED兩端的電壓就可以得到其實(shí)際的結(jié)溫TJ。芯片散熱基板的表面溫度則采用貼片式PT1000作為傳感器進(jìn)行測(cè)量TB，測(cè)量精度優(yōu)于0.1℃。作者分別在300mA的穩(wěn)流狀態(tài)和占空比為1∶1000的脈沖電流狀態(tài)下測(cè)量了LED燈開(kāi)啟10min內(nèi)的表面溫度。如圖2(b)所示，在穩(wěn)流狀態(tài)下，由于芯片結(jié)溫的持續(xù)上升，熱流不斷從芯片傳遞到散熱片，引起表面溫度的上升；而在脈沖電流狀態(tài)下，散熱片表面溫度始終維持在實(shí)驗(yàn)時(shí)的室溫(27.3℃)，說(shuō)明在儀器測(cè)量精度范圍內(nèi)LED結(jié)溫沒(méi)有上升，與表面溫度保持一致。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

由于在占空比為1∶1000的脈沖電流(300mA)驅(qū)動(dòng)模式下，LED所處環(huán)境溫度近似等于結(jié)溫，我們借助實(shí)驗(yàn)儀的溫控裝置測(cè)得從室溫到120℃范圍內(nèi)LED結(jié)溫與兩端電壓的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖中可以看到，在室溫到120 ℃之間，結(jié)溫和壓降近似呈線性關(guān)系，這與PN結(jié)的溫度特性相符，可以作為結(jié)溫測(cè)量的定標(biāo)曲線。

圖2 (a) LED在不同占空比的脈沖電流I下結(jié)溫TJ隨時(shí)間的變化示意圖； (b) 待測(cè)LED燈珠在脈沖電流和穩(wěn)流狀態(tài)下點(diǎn)亮?xí)r，器件表面溫度隨時(shí)間的變化曲線

圖3 LED結(jié)溫與兩端電壓的關(guān)系曲線

圖4 LED燈珠在穩(wěn)流狀態(tài)下點(diǎn)亮?xí)r，器件表面溫度、結(jié)溫和兩端電壓隨時(shí)間變化曲線

在室溫狀態(tài)下，利用直流電源開(kāi)啟LED燈珠，并迅速記錄10min內(nèi)的表面溫度TB和電壓U的變化，再根據(jù)前面測(cè)量的結(jié)溫—電壓關(guān)系曲線便可計(jì)算對(duì)應(yīng)的結(jié)溫TJ，如圖4所示。當(dāng)LED燈正常工作時(shí)，其芯片結(jié)溫會(huì)迅速升高并逐漸達(dá)到穩(wěn)定值，兩端的壓降則相應(yīng)降低。從圖中可以看到，本實(shí)驗(yàn)中LED燈在10min后的結(jié)溫會(huì)穩(wěn)定在約85℃。正常工作狀態(tài)下，熱流不斷從芯片流向器件表面，利用Pt1000直接測(cè)量的表面溫度TB也有類似的變化趨勢(shì)，但溫度相應(yīng)要低一些，最后會(huì)穩(wěn)定在約75℃。由此可見(jiàn)，LED結(jié)溫和器件表面溫度是兩個(gè)不同的概念，但變化的趨勢(shì)有明顯的關(guān)聯(lián)性。

為了深入研究結(jié)溫與表面溫度間的關(guān)系，作者進(jìn)一步測(cè)量了LED在一個(gè)升溫和降溫循環(huán)內(nèi)的TJ—TB關(guān)系曲線，如圖5所示。由于在脈沖電流下(占空比1∶1000)，LED芯片的發(fā)熱量可以忽略不計(jì)，因此可用于降溫過(guò)程中結(jié)溫的測(cè)量。從圖上可以看到：在升溫時(shí)，結(jié)溫始終大于表面溫度；而在降溫時(shí)，表面溫度卻會(huì)略高于結(jié)溫。這是由于LED燈的支架和散熱片等部件的體積和熱容量要比芯片大很多，當(dāng)芯片自身不再發(fā)熱時(shí)，其溫度的下降速度就會(huì)大于其他部件，并反過(guò)來(lái)從外部吸收熱量，最終同時(shí)達(dá)到室溫。

圖5 LED燈升溫與降溫過(guò)程中結(jié)溫與表面溫度的關(guān)系曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)脈沖電流法對(duì)常見(jiàn)的大功率白光LED燈珠的結(jié)溫和器件表面溫度進(jìn)行了測(cè)量，深入研究了LED燈在升溫和降溫過(guò)程中結(jié)溫的變化規(guī)律，并給出了結(jié)溫和表面溫度的關(guān)系。該工作對(duì)工程技術(shù)領(lǐng)域中的LED結(jié)溫研究具有實(shí)際意義。另外，本項(xiàng)目是東南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)放實(shí)驗(yàn)課題之一。這些課題源于基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程并與工程技術(shù)或日常生活相關(guān)聯(lián)[9,10]，對(duì)于低年級(jí)本科生或者優(yōu)秀的高中生來(lái)說(shuō)，難度適中又不乏科學(xué)性與趣味性，能有效地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式和實(shí)驗(yàn)探索能力。

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A STUDY ON THE RELATIONSHIP BETWEEN THE JUNCTION TEMPERATURE AND SURFACE TEMPERATURE OF HIGH POWER LED

Zhu Jianyue1,2Li letian1,3Chen Qian1

(1National Demonstration Center for Experimental Physics Education, Southeast University, Nanjing Jiangsu 211189;2High School affiliated to Nanjing Normal University, Jiangning Campus, Nanjing Jiangsu 211102;3Chien-Shiung Wu College, Southeast University, Nanjing Jiangsu 211189)

In this paper, based on the experimental instrument of LED thermal characteristics developed independently by the southeast university, both the junction temperature and surface temperature of the common high-power white LED lamp beads were measured by the pulse current method to determine the quantitative relationship between the junction and surface temperature. This is accomplished by measuring the repeated heating and cooling process as the thermal change is measured over several thermal cycles. On the one hand, this work has certain practical significance to the related research in engineering technology field. On the other hand, the experimental content can help students to understand the physical concepts and basic principles relevant to PN junction and LED, and help them to feel the close relationship between physics and modern practical engineering technology, which stimulates students’ interest in experimental physics.

light-emitting diode(LED); PN junction; junction temperature; surface temperature; pulse current method

2017-01-09

江蘇省高等教育學(xué)會(huì)高校實(shí)驗(yàn)室研究委員會(huì)資助項(xiàng)目(GS2015YB21); 教育部高等學(xué)校物理學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)資助項(xiàng)目(01-201601-35)。

陳乾,男,高級(jí)工程師,主要從事物理教學(xué)科研工作,研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體納米器件，qc119@seu.edu.cn。

朱簡(jiǎn)約,李樂(lè)天,陳乾. 大功率LED結(jié)溫與器件表面溫度關(guān)系的研究[J]. 物理與工程，2017，27(3)：18-21.