基于光譜法的發(fā)光二極管穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)量方法*

蔣福春 劉瑞友 彭冬生 劉文 柴廣躍 李百奎 武紅磊

(深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院, 光電子器件與系統(tǒng)教育部/廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 深圳 518060)

根據(jù)白光發(fā)光二極管(LED)發(fā)光光譜特點(diǎn), 通過(guò)分析藍(lán)光光譜和由藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生的黃光光譜的交點(diǎn)(即整個(gè)光譜的波谷點(diǎn))特性, 利用常規(guī)可見(jiàn)光光譜儀設(shè)計(jì)了一套基于光譜法的LED 穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)量系統(tǒng), 采用正常的驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)一定的函數(shù)算法進(jìn)行擬合, 得到整體光譜波谷處歸一化光譜強(qiáng)度與結(jié)溫間敏感系數(shù)K 和定標(biāo)函數(shù), 再根據(jù)溫升曲線可計(jì)算出任意工作狀態(tài)下LED 結(jié)溫相對(duì)于基底的溫升, 并結(jié)合LED的熱耗散功率從而得到LED 的穩(wěn)態(tài)熱阻.本方法避免了類似正向壓降法采用極小電流定標(biāo)而需要高速數(shù)據(jù)采集模塊和高速取樣轉(zhuǎn)換等模塊導(dǎo)致的設(shè)備昂貴的缺點(diǎn), 從而降低了成本.最后采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和美國(guó)Mentor Graphics 公司的T3Ster 儀器分別對(duì)多種LED 進(jìn)行測(cè)量并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較, 發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)熱阻最大偏離度僅為3.64%.表明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和方法在不需要昂貴設(shè)備的情況下便可以達(dá)到與Mentor Graphics 公司的T3Ster 儀器相仿的精度.本方法采用非傳統(tǒng)式光譜法測(cè)量, 具有可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線檢測(cè)LED 結(jié)溫和低成本的特點(diǎn), 對(duì)LED 封裝結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何限制, 因此比Mentor Graphics 公司T3Ster 設(shè)備采用的電壓法有更廣的應(yīng)用范圍, 具有一定的實(shí)用價(jià)值.

1 引 言

近年來(lái)功率型發(fā)光二極管(LED)因具有高亮度、長(zhǎng)壽命、發(fā)光效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于各種類型的照明場(chǎng)景中[1,2], 被認(rèn)為最具應(yīng)用價(jià)值的照明光源之一.雖然LED 被認(rèn)為是高效節(jié)能的光源[3], 但目前LED 的光電轉(zhuǎn)換效率并不高[4], 只有約30%的電子與空穴輻射復(fù)合產(chǎn)生光子, 剩下的大多數(shù)電能最終以熱能的形式耗散,如果這些熱量不及時(shí)有效傳播出去, 會(huì)引起LED內(nèi)部熱積累, 導(dǎo)致LED 芯片結(jié)溫度的升高[5], 進(jìn)而顯著地影響LED 器件的光、電、色等性能, 加速器件的老化進(jìn)程從而影響其壽命[6], 使得LED 器件可靠性降低[7], 甚至無(wú)法有效工作[8,9].隨著功率型LED 器件的迅速發(fā)展, 其熱性能的影響越來(lái)越顯著[10], 散熱問(wèn)題就顯得尤為突出[11].而熱阻是表征熱傳遞能力的綜合參數(shù), 能直接反映LED 器件散熱性能的好壞, 是衡量LED 器件性能優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù).熱阻過(guò)大會(huì)使結(jié)溫過(guò)高, 直接影響LED的發(fā)光波長(zhǎng)、發(fā)光效率、正向壓降以及使用壽命等,所以熱阻成了評(píng)價(jià)LED 封裝性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù), 因此對(duì)LED 熱阻進(jìn)行準(zhǔn)確快速測(cè)量就顯得極為重要.

LED 熱阻是各類照明領(lǐng)域中重要的研究方向,目前針對(duì)半導(dǎo)體器件熱阻測(cè)量的主要方法有: 紅外熱像儀法、電學(xué)參數(shù)法及光譜峰值漂移法[12]和藍(lán)白比法等[9,10,13].這些方法根據(jù)熱阻的定義, 基于不同的工作原理, 均可測(cè)出半導(dǎo)體器件的穩(wěn)態(tài)熱阻,但是這些方法都需要專用設(shè)備或者昂貴的測(cè)試系統(tǒng).其中電學(xué)參數(shù)法中的正向壓降法是目前業(yè)界最常用的LED 熱阻測(cè)量方法, 但采用正向電壓法測(cè)LED 熱阻時(shí)很容易受到封裝結(jié)構(gòu)和燈具外殼的限制, 難以精確測(cè)量LED PN 結(jié)的結(jié)電壓[14], 并且其定標(biāo)過(guò)程是在極小電流下進(jìn)行的, 所以要得到精確的穩(wěn)態(tài)熱阻, 需要高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 使得相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備昂貴.另外根據(jù)PN 正向電壓與工作電流和結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系可知: 其結(jié)電壓與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系在高溫端要明顯優(yōu)于低溫端, 引起各種測(cè)量誤差, 從而無(wú)法有效掌握穩(wěn)態(tài)熱阻情況.而采用光譜峰值漂移法, 由于LED 結(jié)溫變化引起峰值漂移量并不大[15], 若采用高精度的光譜儀, 必會(huì)大大增加成本; 并且如GaN 基藍(lán)光LED 峰值隨結(jié)溫先減小后增大, 這樣給穩(wěn)態(tài)熱阻的測(cè)試必會(huì)帶來(lái)不少的誤差.藍(lán)白比法是利用藍(lán)光芯片的激發(fā)效率和熒光粉的轉(zhuǎn)化效率降低程度不一致來(lái)實(shí)現(xiàn)LED 結(jié)溫測(cè)量的[6,10], 隨著熒光粉轉(zhuǎn)化效率的提高, 這種不一致越來(lái)越小, 而熒光粉產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化效率受功率和溫度等多重因素的影響, 不能穩(wěn)定地表征結(jié)溫, 從而影響熱阻測(cè)量的精度.且藍(lán)白比法僅適用于小電流情況下InGaN+YAG 單一型熒光粉轉(zhuǎn)化的白光LED 熱阻的測(cè)量[16], 所以需要高精度的光譜儀, 造成測(cè)量成本的大幅提高, 這些因素使得此類方法測(cè)LED 穩(wěn)態(tài)熱阻的應(yīng)用均受到了一定程度的限制[17].

本文以功率型高低色溫白光LED 器件為研究對(duì)象, 采用常規(guī)光譜儀采集正常驅(qū)動(dòng)流下的LED發(fā)光光譜數(shù)據(jù), 分析LED 光譜波谷處的相對(duì)光譜強(qiáng)度, 通過(guò)一定的定標(biāo)函數(shù)擬合得出其結(jié)溫, 從而提出一種測(cè)量LED 穩(wěn)態(tài)熱阻的新方法.本方法采用非傳統(tǒng)式光譜法的測(cè)量方式, 避免了類似傳統(tǒng)的正向電壓法和藍(lán)白比法采用極小電流定標(biāo)而分別需要高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高靈敏度的光譜儀以及對(duì)LED 封裝結(jié)構(gòu)有一定限制的劣勢(shì), 具有成本低、比傳統(tǒng)的非接觸法更高的測(cè)量精度、更廣的適用范圍和可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線檢測(cè)LED 穩(wěn)態(tài)熱阻的優(yōu)勢(shì).

2 理 論

熱阻的概念類似于電阻, 主要是用來(lái)衡量熱源產(chǎn)生的發(fā)熱功率在熱傳導(dǎo)途徑上引起溫升大小的一個(gè)物理參量, 熱阻越大, 表明傳導(dǎo)途徑對(duì)熱傳遞的“阻力”越大, 熱量越不容易散出, 在其他條件相同的前提下, 包括熱源和傳導(dǎo)途徑的溫度也會(huì)越高.

按標(biāo)準(zhǔn), LED 整體穩(wěn)態(tài)熱阻(Rth)定義是: 在熱平衡條件下沿LED 器件熱流通道上單位熱耗散功率引起的PN 結(jié)溫與基底的溫差[18], 數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中Tj為L(zhǎng)ED 的PN 結(jié)區(qū)溫度;Ta為基底溫度;Pt為熱耗散功率;Rth為L(zhǎng)ED 芯片PN 結(jié)到基底的穩(wěn)態(tài)熱阻, 單位為℃/W.

目前測(cè)量LED 穩(wěn)態(tài)熱阻的方法較多, 其中以正向壓降法為業(yè)界主流的測(cè)量方法, 但此方法存在一定的局限性: 1)無(wú)法實(shí)時(shí)在位檢測(cè)LED 熱阻;2)對(duì)LED 封裝結(jié)構(gòu)有一定的要求; 3)為了減少自加熱效應(yīng)引起的誤差, 須在極小測(cè)試電流和高速電壓采樣速率下進(jìn)行標(biāo)定, 對(duì)設(shè)備的精度要求較高而使得設(shè)備價(jià)值昂貴.這些因素造成此方法在業(yè)界的使用受到一定的限制.

從白光LED 工藝流程上看, 業(yè)界通常采用藍(lán)光芯片涂覆黃色熒光粉的封裝工藝, 其產(chǎn)生白光的機(jī)理是: 藍(lán)光芯片在正常的電流驅(qū)動(dòng)下復(fù)合輻射發(fā)出藍(lán)光, 一部分藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生黃光, 一部分透過(guò)熒光粉的藍(lán)光與被激發(fā)出的黃光混合而成白光[19].在激發(fā)的過(guò)程中伴隨著三類熱量的產(chǎn)生:1)藍(lán)光芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量; 2)藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生一定的熱量; 3)藍(lán)光透過(guò)熒光粉與黃光混合時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的熱量[20].這些熱量會(huì)引起LED 結(jié)溫的升高, 而結(jié)溫的升高又會(huì)導(dǎo)致藍(lán)光和黃光光譜產(chǎn)生一定的漂移, 從而藍(lán)光和黃光光譜的漂移均帶有一定的溫度特性.如采用峰值波長(zhǎng)和主波長(zhǎng)隨溫度的漂移來(lái)表征結(jié)溫, 結(jié)溫每變化100 ℃, 峰值波長(zhǎng)約變化 ±3 — ±4 nm, 且主波長(zhǎng)隨溫度變化還要小于峰值波長(zhǎng)隨溫度的變化, 采用此方法來(lái)測(cè)量結(jié)溫在理論上具有可操作性, 在實(shí)際中采用常規(guī)的光譜儀會(huì)帶來(lái)較大的誤差.但在同樣的驅(qū)動(dòng)電流下, 隨著LED 結(jié)溫越高, 藍(lán)光與黃光光譜均不同程度地變寬, 從而藍(lán)光光譜與黃光光譜曲線的交點(diǎn)(即波谷點(diǎn))在歸一化光譜圖上變高明顯, 從而白光LED 波谷處的歸一化相對(duì)光譜強(qiáng)度增大較顯著.從圖1 光譜圖可以看出, 藍(lán)光與黃光兩光譜交點(diǎn)(A點(diǎn)), 即整個(gè)光譜波谷點(diǎn)的歸一化相對(duì)光譜強(qiáng)度能更全面地表征兩光譜隨溫度的變化情況, 因此波谷處的歸一化相對(duì)光譜強(qiáng)度能更全面、更精確地反映LED 結(jié)溫的變化, 從而通過(guò)歸一化相對(duì)光譜強(qiáng)度的變化能更便捷地反映出LED 熱擴(kuò)散通道上的穩(wěn)態(tài)熱阻情況.采用此種方式, 既能反映藍(lán)光度隨溫度的變化情況, 又能體現(xiàn)溫度使黃光產(chǎn)生漂移的程度, 同時(shí)不影響測(cè)量的精度.

圖1 采用藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光的LED 光譜圖Fig.1.Spectrgoram of white LED with phosphor excited by blue light.

通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)可得出, 將離散的光譜數(shù)據(jù)在波谷附近處擬合成連續(xù)函數(shù), 得出白光LED 發(fā)光光譜處波谷歸一光譜強(qiáng)度IA隨白光LED 結(jié)溫Tj的變化近似呈現(xiàn)如下關(guān)系:

當(dāng)對(duì)LED 器件施加正常的驅(qū)動(dòng)電流I0時(shí), (2)式可通過(guò)積分表示為

式中,IA為在驅(qū)動(dòng)電流I=I0下的LED 光譜波谷處的光譜歸一化強(qiáng)度,IA0為基準(zhǔn)狀態(tài)下的波谷處的歸一化光譜強(qiáng)度,Tj為被測(cè)條件下的LED 結(jié)溫,K為與溫度相關(guān)的光譜敏感系數(shù), 定義為波谷處歸一化光譜強(qiáng)度-結(jié)溫系數(shù), 此系數(shù)跟LED 驅(qū)動(dòng)電流I0有關(guān).因此LED 結(jié)溫可用波谷處的歸一化光譜強(qiáng)度表示為

式中,T0為基準(zhǔn)狀態(tài)下的LED 結(jié)溫.

在施加驅(qū)動(dòng)電流前LED 器件處于熱平衡狀態(tài), 其基底溫度Ta和器件的芯片溫度保持一致,則Tj=Ta, 當(dāng)在正常的驅(qū)動(dòng)電流下工作時(shí), 結(jié)溫Tj升高, 達(dá)到熱平衡狀態(tài)后, 便可通過(guò)LED 的熱耗散功率Pt將LED 整體穩(wěn)態(tài)熱阻的表達(dá)式等效為

由于LED 器件所處的環(huán)境溫度和輸入的電功率P及其發(fā)光光功率P0均可直接測(cè)量, 因此LED穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)量就核心在于結(jié)溫Tj的測(cè)量.

3 過(guò) 程

為了測(cè)量LED 器件的穩(wěn)態(tài)熱阻, 將常規(guī)光譜儀改裝成帶有溫度可自動(dòng)調(diào)節(jié)的恒溫器的穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)量系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)測(cè)量.將基板上涂覆均勻?qū)峁柚腖ED 器件放置于恒溫器中, 通過(guò)恒溫器調(diào)節(jié)并讀取達(dá)到熱平衡時(shí)的LED 器件的溫度, 并通過(guò)與恒溫器相連的光譜儀測(cè)量LED 在不同條件下的發(fā)光光譜、光功率和電功率等參數(shù).整體過(guò)程分為定標(biāo)、結(jié)溫測(cè)量、熱耗散功率測(cè)量和穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)量等部分.

3.1 定 標(biāo)

1)將待測(cè)白光LED 器件基底均勻涂覆一薄層導(dǎo)熱硅脂, 并安裝在恒溫器中;

2)將恒溫器溫度設(shè)定為T1, 穩(wěn)定一定時(shí)間,使LED 基底與發(fā)光芯片以及恒溫器之間處于穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài);

3)給白光LED 器件正常的驅(qū)動(dòng)電流(如350 mA), 并快速啟動(dòng)光譜儀測(cè)量其發(fā)光光譜, 得到光譜最低點(diǎn)A的相對(duì)光譜強(qiáng)度;

4)設(shè)定恒溫腔的溫度為Ti(i= 2, 3, ···), 經(jīng)歷一定的時(shí)間后, 重復(fù)步聚3), 得到在不同溫度條件下發(fā)光光譜最低點(diǎn)(即波谷)的相對(duì)光譜強(qiáng)度IA.

從LED 器件開(kāi)始工作到光譜儀采集到其發(fā)光光譜數(shù)據(jù)雖然時(shí)間較短, 由于定標(biāo)過(guò)程中均采用高達(dá)數(shù)百毫安的正常工作電流, 對(duì)待測(cè)LED 自身的自加熱效應(yīng)不可忽略.由于所采用的常規(guī)光譜儀的積分時(shí)間固定在微秒量級(jí), 在同樣的工作電流下和固定較短的積分時(shí)間內(nèi)其結(jié)溫的增量近乎是一致的, 為了減少自加熱效應(yīng)和溫控器精度的影響, 選定某一狀態(tài)(如25 ℃)為基準(zhǔn)狀態(tài), 對(duì)應(yīng)的溫度為Tb, 光譜最低點(diǎn)A的相對(duì)光譜強(qiáng)度為Ib, 將步驟4)得出的Tj和IA分別與基準(zhǔn)值作差得到ΔTj=Tj–Tb和IA= ΔIA–Ib, 通過(guò)擬合, 得到線性定標(biāo)函數(shù)ΔTj=K(ΔIA), 其中K為波谷處歸一化相對(duì)光譜強(qiáng)度-結(jié)溫系數(shù).

3.2 結(jié)溫測(cè)量

獲取實(shí)際LED 正常工作時(shí)任一狀態(tài)下的結(jié)溫Tj的步驟如下:

1)通過(guò)光譜儀測(cè)量待測(cè)條件下LED 光譜分布, 得到光譜最低點(diǎn)A的相對(duì)光譜強(qiáng)度值IA;

2)將測(cè)得的IA值與基準(zhǔn)Ib作差得到ΔIA;

3)將計(jì)算出的ΔIA代入到定標(biāo)函數(shù)ΔTj=f(ΔIA), 得到此時(shí)的真實(shí)結(jié)溫Tj=Tb+ ΔTj=Tb+f(ΔIA).

3.3 熱耗散功率測(cè)量

在正常驅(qū)動(dòng)電流下, 注入LED 的電功率P主要分成發(fā)光光功率P0和使LED 器件溫度升高的熱耗散功率Pt兩部分, 大多數(shù)光譜儀在測(cè)量發(fā)光光譜的同時(shí)能直接得出相應(yīng)狀態(tài)下的電功率P和發(fā)光光功率P0, 得到熱耗散功率Pt=P–P0.

3.4 穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)量

通過(guò)光譜法得到達(dá)到熱平衡時(shí)的結(jié)溫Tj與未施加驅(qū)動(dòng)電流時(shí)LED 芯片的溫度Ta之差便得結(jié)溫的溫升ΔTj, 其與熱耗散功率P之比便是LED穩(wěn)態(tài)熱阻.

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 樣品選擇

實(shí)驗(yàn)采用改變一定功率的恒溫器的溫度進(jìn)而改變LED 基底溫度的方式來(lái)改變結(jié)溫進(jìn)行定標(biāo),從而研究白光LED 光譜波谷處的相對(duì)強(qiáng)度與結(jié)溫間的關(guān)系.為了說(shuō)明本方法的普適性, 實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取不同廠家的多種大功率高低色溫白光LED 作為研究對(duì)象.為了減小基底與恒溫器間接觸給穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)量造成的影響, 實(shí)驗(yàn)前在基底上均勻填涂導(dǎo)熱硅脂.

4.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)由ATA-500 型光譜, CL-200恒控器、積分球以及WY305 型恒流電源等組成.WY305 型恒電源負(fù)責(zé)給LED 樣品提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流, 其誤差范圍為 ± 0.1 mA.CL-200 恒溫器(功率可調(diào))為器件提供穩(wěn)定的測(cè)試溫度, 其誤差范圍為± 1 ℃.ATA-500 型光譜可快速采集可光見(jiàn)范圍內(nèi)的光譜, 其精度為0.3 nm, 積分時(shí)間為9 ms, 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示.

圖2 基于光譜法的LED 穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.2.Schematic diagram of LED steady-state thermal resistance measurement system based on spectrum method.

4.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將白光LED 器件安裝在恒溫器上, 并用導(dǎo)熱硅脂均勻填充在器件基底與恒溫器基底間, 系統(tǒng)裝置如圖2, 測(cè)量步驟如下:

1)通過(guò)恒溫器將LED 分別在5—85 ℃, 溫度步徑為5 ℃的狀態(tài)下穩(wěn)定一定時(shí)間, 使LED 器件基底、芯片和恒溫器達(dá)到穩(wěn)定的熱平衡, 再以正常的工作電流350 mA 驅(qū)動(dòng)LED, 測(cè)量其發(fā)光光譜,將光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的擬合得到對(duì)應(yīng)波谷處的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度, 并與基準(zhǔn)狀態(tài)下波谷處的發(fā)光強(qiáng)度作差, 從而得到白光LED 的波谷處相對(duì)光譜強(qiáng)度-結(jié)溫系數(shù)K;

2)通過(guò)恒溫器將LED 基底保持穩(wěn)定室溫Tc條件下, 以正常工作電流點(diǎn)亮LED 一段時(shí)間后,測(cè)量其發(fā)光光譜, 得到光譜波谷處的相對(duì)光譜強(qiáng)度, 根據(jù)光譜強(qiáng)度-結(jié)溫系數(shù)K, 從而得出此條件下LED 的結(jié)溫, 并記錄其工作時(shí)的輸入電功率P和光功率P0;

3)采用如下公式計(jì)算出白光LED 穩(wěn)態(tài)熱阻:

5 結(jié)果與討論

應(yīng)用上述基于光譜法的穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方案, 本文隨機(jī)選取市面上的大功率高低色溫兩類白光LED 的穩(wěn)態(tài)熱阻進(jìn)行了測(cè)試, 并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論.

表1 不同溫度下高色溫白光LED 光譜波谷相對(duì)強(qiáng)度Table 1.Relative strength of spectral trough of white LED with high color temperature at different temperatures.

表2 相對(duì)于基準(zhǔn)狀態(tài)下, 不同溫度下高色溫白光LED 光譜波谷相對(duì)強(qiáng)度Table 2.Relative strength of spectral trough of white LED with high color temperature at different temperatures to reference state.

5.1 大功率高色溫白光LED

采用圖2 所示的穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)量系統(tǒng)對(duì)一大功率高色溫(相關(guān)色溫Tc= 8356 K)白光LED 進(jìn)行了熱阻測(cè)試, 首先測(cè)出其在不同結(jié)溫環(huán)境下發(fā)光光譜波谷處相對(duì)光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù), 如表1 所列.

為了減小由正常的驅(qū)動(dòng)電流引起的自加熱效應(yīng)和溫控器對(duì)溫度控制的不確定度而帶來(lái)的誤差,將結(jié)溫處于Tc= 25 ℃時(shí)的狀態(tài)選定為基準(zhǔn)狀態(tài),測(cè)得數(shù)據(jù)如表2 所列.

將與基準(zhǔn)狀態(tài)下對(duì)比后的相對(duì)光譜強(qiáng)度與結(jié)溫間的關(guān)系進(jìn)行擬合, 得到如圖3 所示的定標(biāo)曲線, 并得到定標(biāo)函數(shù)y= 13.624x– 0.2033, 其中線性相關(guān)系數(shù)R2= 0.9992, 擬合出的線性度相當(dāng)高,此定標(biāo)函數(shù)的系數(shù)13.624 即為谷處歸一化光譜強(qiáng)度-結(jié)溫敏感系數(shù)K.

圖3 高色溫LED 定標(biāo)函數(shù)曲線圖Fig.3.Calibration function curve of high color temperature LED.

再通過(guò)恒溫器將LED 基底保持在25 ℃環(huán)境中, 以350 mA 的驅(qū)動(dòng)電流點(diǎn)亮LED, 每隔20 s 測(cè)量其發(fā)光光譜, 得到光譜波谷處的相對(duì)光強(qiáng), 將其與基準(zhǔn)狀態(tài)下的波谷處的相對(duì)光強(qiáng)對(duì)比后, 代入定標(biāo)函數(shù)y= 13.624x– 0.2033, 便可得出采用光譜法所測(cè)得的LED 結(jié)溫隨工作時(shí)間的變化曲線, 如圖4 所示.發(fā)現(xiàn)當(dāng)LED 達(dá)到熱平衡時(shí), 結(jié)溫Tj約為43.12 ℃.同時(shí)測(cè)得LED 正常工作時(shí)其輸入電功率P為1235 mW, 發(fā)光光功率P0為326 mW,得到LED 工作時(shí)的熱耗散功率Pt為909 mW, 根據(jù)公式得到此高色溫大功率LED 的穩(wěn)態(tài)熱阻為19.93 ℃/W.

圖4 采用光譜法測(cè)得LED 結(jié)溫隨時(shí)間變化曲線Fig.4.Curve of LED junction temperature with time measured by spectrum method.

5.2 大功率低色溫白光LED

隨機(jī)選取某款熒光粉含量較多的大功率低色溫白光LED (相關(guān)色溫Tc= 3240 K)作為研究對(duì)象, 采用圖2 所示的系統(tǒng)測(cè)量其穩(wěn)態(tài)熱阻, 得到其發(fā)光光譜如圖5 所示, 以25 ℃為基準(zhǔn)狀態(tài)得到相對(duì)光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表3 所列.

將表3 中波谷處的歸一化強(qiáng)度差ΔI與結(jié)溫差ΔTj通過(guò)二維坐標(biāo)的形式呈現(xiàn), 結(jié)果如圖6 所示,并通過(guò)線性擬合得到歸一化強(qiáng)度差ΔI與結(jié)溫差ΔTj得到其定標(biāo)函數(shù)y= 15.538x– 1.2111, 其中線性相關(guān)系數(shù)R2為0.9977, 線性程度大于0.99,表明低色溫大功率白光LED 波谷處的歸一化強(qiáng)度差ΔI和結(jié)溫差ΔTj仍具有較好的線性相關(guān)性, 此定標(biāo)函數(shù)系數(shù)15.538 即為波谷處歸一化光譜強(qiáng)度-結(jié)溫敏感系數(shù)K.

表3 不同溫度下低色溫白光LED 光譜波谷相對(duì)強(qiáng)度Table 3.Relative strength of spectral trough of white LED with high color temperature at different temperatures.

表4 四種大功率白光LED 穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試結(jié)果Table 4.Steady state thermal resistance test results of four kinds of high power white LED.

圖5 低色溫歸一化光譜相對(duì)強(qiáng)度分布Fig.5.Relative intensity distribution of low color temperature normalized spectrum.

圖6 低色溫LED 定標(biāo)函數(shù)曲線Fig.6.Calibration function curve of low color temperature LED.

采用圖2 所示的基于光譜法的LED 穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)量系統(tǒng), 每隔一定時(shí)間采樣光譜波谷處的歸一化光譜強(qiáng)度, 待達(dá)到熱平衡后便可通過(guò)敏感系數(shù)K和定標(biāo)函數(shù)可以得出任意狀態(tài)下的LED 結(jié)溫度,同時(shí)測(cè)出正常工作時(shí)的輸入電功率和發(fā)光光功率,根據(jù)(6)式便可得到此大功率低色溫LED 的穩(wěn)態(tài)熱阻.

為了驗(yàn)證采用本文的光譜法測(cè)定發(fā)光二極管穩(wěn)態(tài)熱阻的可行性, 還選取多種不同廠家的高低色溫白光LED 進(jìn)行測(cè)試, 并與采用美國(guó)Mentor Graphics 公司的T3Ster 儀器運(yùn)用正向壓降法測(cè)出的熱阻結(jié)果進(jìn)行比較, 如表4 所列.

通過(guò)表4 的穩(wěn)定熱阻數(shù)據(jù)可以看出, 采用本文的光譜法測(cè)得的白光LED 穩(wěn)態(tài)熱阻結(jié)果與通過(guò)美國(guó)Mentor Graphics 公司的T3Ster 儀器采用正向壓降法測(cè)得的結(jié)果的最大偏離度為3.64%, 偏差較小, 完全在可接受的范圍內(nèi), 表明此方法的可行性.

6 結(jié) 論

通過(guò)分析白光LED 的發(fā)光機(jī)理, 本文提出了采用自行設(shè)計(jì)的系統(tǒng)測(cè)量以正常工作電流驅(qū)動(dòng)的白光LED 發(fā)光光譜曲線波谷處光譜強(qiáng)度, 通過(guò)擬合得到光譜波谷處歸一化強(qiáng)度與結(jié)溫間的敏感系數(shù)K和定標(biāo)函數(shù), 根據(jù)計(jì)算可獲得白光LED 達(dá)到穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)時(shí)的結(jié)溫, 從而可獲得結(jié)溫相對(duì)于基底溫度的增量, 并結(jié)合白光LED 的熱耗散功率可得到穩(wěn)態(tài)熱阻值, 避免了類似正向壓降法采用極小電流進(jìn)行定標(biāo)而引入的各種誤差, 使得測(cè)量穩(wěn)態(tài)熱阻更加準(zhǔn)確、方便.并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與采用美國(guó)Mentor Graphics 公司的T3Ster 測(cè)出結(jié)果進(jìn)行了比較, 最大偏離度僅為3.64%, 表明本文所提出的方法完全可行.本方法采用光譜法測(cè)量穩(wěn)態(tài)熱阻,在不需要昂貴的儀器設(shè)備情況下可達(dá)到Mentor Graphics 公司的T3Ster 儀器的精度, 對(duì)LED 的封裝結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何的限制, 是一種高效快捷低成本且應(yīng)用范圍更廣的白光LED 穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)量方法,具有一定的實(shí)用價(jià)值.