郭 杰, 馬軍山, 饒 豐, 褚 靜

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院, 上海 200093;2.常州工學院 電氣與光電工程學院, 江蘇 常州 213002)

引 言

由于大功率白光LED自身的諸多優(yōu)點,其應用日漸廣泛。結溫是影響 LED光色電性能、壽命以及可靠性的重要因素[1-2]。目前,國際上公認的LED結溫標準測量方法是正向電壓法[3],但是在測量時往往受到燈具外殼及產(chǎn)品封裝等限制,一般難以接觸LED管腳,不能實現(xiàn)LED引腳兩端電壓的測量[4],同時其測量條件是在小電流狀態(tài)下進行,無法及時掌握現(xiàn)場運行的LED燈具結溫,這些問題令正向電壓法的應用十分受限。因此,非接觸式LED結溫測量方法受到研究者的關注,目前已報道的紅外微相儀法[5]、峰值波長法[6]、 中心波長法[7]、質(zhì)心波長法[8]和雙參數(shù)法[9]均為單色LED結溫的測量方法。針對大功率熒光粉白光LED結溫測量,葉炎鐘等提出輻射強度法,但該法要求測量絕對光譜,測量誤差較大[10];Gu等提出藍白比法表征白光LED結溫,但該法在測量大功率LED時有較大的誤差,同時隨著熒光粉的老化衰減,測量結果的準確度大幅下降[11]。能否利用LED光-色-熱-電的內(nèi)在聯(lián)系,設計一種更為準確、穩(wěn)定的大功率白光LED結溫測量方法,是本文主要研究的問題。

本文以1 W GaN基白光LED為研究對象,改變電流大小和環(huán)境溫度,分析LED光色熱參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系,采用質(zhì)心波長和半高全寬聯(lián)合表征光譜分布,建立GaN基白光LED光-熱-電關系,設計出基于光譜分布特征參數(shù)的GaN基白光LED結溫的非接觸式測量方法。

1 測量原理

由于GaN基半導體材料的禁帶寬度和結溫相互關聯(lián),當結溫升高時,LED芯片除了電學輸運性質(zhì)發(fā)生改變致使正向電壓降低,其發(fā)光光譜的峰值波長亦發(fā)生紅移,導致熒光粉的發(fā)光效率降低[12]。當改變注入電流時,隨著電流增加,藍光LED芯片光譜的峰值波長發(fā)生先藍移而后又紅移;同時,隨著電流增大,結溫在升高,這些都會導致熒光粉的有效激發(fā)效率降低,最終使得白光LED的光譜分布發(fā)生變化。

因此白光LED光譜分布受注入電流If和結溫Tj的變化影響很大,而LED結溫Tj主要由注入電流If、環(huán)境溫度Ta和燈體散熱能力決定,三者之間的關系可表示為

Tj=f(If,Ta)

(1)

在式(1)中,若驅(qū)動電流If為瞬時脈沖,在LED點亮時間非常短的情況下,其發(fā)熱量也很小,所造成PN結溫度的變化也較小[13],此時可以考慮忽略瞬時脈沖電流的熱效應,Tj就可以近似為Tj≈Ta。不同的驅(qū)動電流If和結溫Tj可以得到不同的光譜分布G(λ),且可表示為

G(λ)=f(Tj,If)

(2)

因此,可以通過不同環(huán)境溫度Ta、不同瞬時恒定電流驅(qū)動的LED光譜分布構建LED光-熱-電關系,且可表示為

Tj=f(G(λ))

(3)

從式(3)中可以發(fā)現(xiàn),只要測量出實際點燈時的光譜分布,就可以得出此時LED的實時結溫。

GaN基白光LED的光譜主要由GaN基芯片發(fā)出的藍光和熒光粉激發(fā)出的黃光組合而成。圖1中實線部分為熒光粉型GaN基LED的發(fā)光光譜,左側(cè)虛線部分光譜(峰值450 nm附近)為理論上LED芯片發(fā)出的藍光光譜,右側(cè)虛線部分光譜(峰值570 nm附近)為熒光粉激發(fā)光譜。由于熒光粉激發(fā)出的黃光光譜復現(xiàn)性差,而且隨著使用時間推移,熒光粉老化嚴重,性能十分不穩(wěn)定,所以選擇芯片發(fā)出的藍光光譜進行研究。在實際測量中,選用藍光和黃光光譜最低點(圖中A處)以左的區(qū)域作為芯片發(fā)出的藍光光譜。

分析計算時,采用雙特征參數(shù)對光譜分布進行表征。半高全寬Δλ0.5能表達光譜能量分布的集中狀況,質(zhì)心波長λc能夠表征光譜分布的中心位置。兩者從不同角度反映了光譜分布的情況,相對于單一參數(shù)表征[11,14],兩者聯(lián)合能夠較為全面的表征光譜分布,從而研究芯片發(fā)光光譜與結溫、電流之間的內(nèi)在聯(lián)系。

圖1 白光LED芯片發(fā)光光譜的選擇Fig.1 Selection of the white light LED chip light-emitting spectrum

2 實 驗

2.1 樣品選擇

本研究選擇單顆LED光源作為樣品,具體為Cree的XP-E系列XPE-R3-Q5型1 W GaN基白光LED 15只。測試前,樣品LED均需經(jīng)過12 h老化。老化條件為驅(qū)動電流300 mA±10 mA,環(huán)境溫度20 ℃±1 ℃,氣流穩(wěn)定。

2.2 實驗測量系統(tǒng)

如圖2所示,本實驗測量系統(tǒng)由LED300E可編程恒流電源、TC-100溫控裝置、積分球、Hass2000型光譜儀、待測LED、TRA-200熱阻結構分析儀等組成。LED300E可編程恒流電源負責給樣品LED供電,其誤差范圍為±1 mA。TC-100溫控裝置為測試提供穩(wěn)定的測試襯底溫度,其誤差范圍為±1 ℃。

圖2 測試系統(tǒng)結構圖Fig.2 The schematic of the testing system

由于采用了較長時間的熱平衡過程,因此鋁基板引入的熱阻并不影響本研究。為了測試方便,將樣品焊接在鋁基板上,再放置在TC-100溫度控制器上,熱沉與鋁基板,鋁基板和溫度控制器之間填涂導熱膠。這樣熱沉溫度的變化就等于溫度控制器的變化。積分球和光譜儀相結合可以準確地測量LED的光譜功率分布。與正向電壓法測量結果的對比則是由TRA-200型LED熱阻結構分析儀完成,其測量誤差一般不超出0.1 ℃。

2.3 實驗步驟

本研究擬先求出光譜分布特征參數(shù)和結溫之間的關系,然后再根據(jù)實際點燈時的光譜分布特征參數(shù)算出結溫,最后將該結溫與正向電壓法及藍白比法測量的結溫進行比較。具體實驗步驟如下:

1) 將溫度控制器的控制溫度設為T1=20 ℃,判斷LED與基座間是否實現(xiàn)熱平衡,隨后測量不同驅(qū)動電流下白光LED的光譜分布,脈沖電流50～500 mA,間隔為50 mA,所有脈沖電流寬度1 ms,光譜儀積分時間為10 ms,并計算光譜分布特征參數(shù),此時結溫Tj近似為控制器溫度T1。以半高寬為橫軸,質(zhì)心波長為縱軸,畫出在同一結溫下光譜分布特征參數(shù)和電流之間的關系。

2) 改變溫控裝置溫度,從20～80 ℃,間隔10 ℃,重復上步操作,得到其他結溫不同瞬時驅(qū)動電流下的LED光譜分布,計算對應光譜分布特征參數(shù),畫出不同結溫不同瞬時驅(qū)動電流下光譜分布特征參數(shù)關系陣列圖,這樣就完成了結溫-光譜分布特征參數(shù)-電流關系的標定。

3) 測量實際點燈時,用光譜儀測量LED的光譜功率分布,計算光譜分布特征參數(shù),帶入標定曲線陣列圖中,根據(jù)該點實時光譜分布特征參數(shù)在等溫線上的位置,估算出對應的結溫Tj和電流If,最后,將結果與其他方法進行比較。

3 結果與討論

3.1 電流、光譜分布特征參數(shù)和結溫之間的關系

圖3為Cree公司的GaN基白光LED在Tj≈Tc=20 ℃時不同脈沖電流驅(qū)動下芯片發(fā)出藍光光譜的質(zhì)心波長與半高全寬(full width at half maximum,FWHM)之間的關系。從數(shù)學擬合結果來看,采用多項式進行擬合,其決定系數(shù)R-Square為0.996 9,均方根誤差(RMSE)為0.06 nm。當結溫保持恒定、驅(qū)動電流發(fā)生變化時,光譜分布特征參數(shù)質(zhì)心波長和FWHM隨電流變化呈現(xiàn)非線性二次多項式趨勢。

圖3 結溫20 ℃時不同驅(qū)動電流下白光LED的質(zhì)心波長與FWHM關系Fig.3 Centriod wavelength vs.FWHM of white LED when current is changed with uniform junction temperature

圖4為白光LED芯片所發(fā)出藍光的光譜分布特征參數(shù)隨結溫、電流變化關系圖,圖中黑色方塊所表示的是白光LED在熱平衡時質(zhì)心波長和FWHM坐標,其驅(qū)動電流范圍為50～500 mA,間隔為50 mA。橫向為同一結溫下,50～500 mA的窄脈沖(1 ms)電流驅(qū)動時,質(zhì)心波長與FWHM之間的變化趨勢;縱向為同一脈沖驅(qū)動電流下,結溫從20 ℃變化至80 ℃時,質(zhì)心波長與FWHM之間的變化趨勢。從圖上可以看出,電流恒定時,隨著結溫的遞增,質(zhì)心波長與半高全寬呈線性變化;結溫恒定時,隨著電流的遞增,質(zhì)心波長與半高全寬之間呈二次多項式趨勢變化。同時,驅(qū)動電流的大小對兩者變化的影響不同,驅(qū)動電流大時,質(zhì)心波長變化小,FWHM變化較大;驅(qū)動電流小時,質(zhì)心波長變化大,FWHM變化較小。這與兩個特征參數(shù)表征光譜的角度及參數(shù)自身的靈敏度有關。依據(jù)圖4中所表達的LED結溫-電流-光譜分布特征參數(shù)關系,根據(jù)圖中熱平衡時各點對應位置坐標(452.76,33.09)可在等溫線陣列中找到LED對應結溫48.8 ℃;同時,根據(jù)該光譜分布特征參數(shù)坐標,亦可以在等電流線陣列中找出對應實時電流350 mA。

圖4 白光LED光譜特征參數(shù)-結溫-電流關系圖Fig.4 The relationship among spectral distribution,characteristic parameters,junction temperature and current of white LED

3.2 測量結果及誤差分析

實驗采用正向電壓法、藍白比法和光譜分布特征參數(shù)法對LED結溫進行測量。表1為15個白光LED樣品采用光譜分布特征參數(shù)法與正向電壓法測量結果的標準差(SD),其平均值為1.5 ℃,與正向電壓法結果一致。

表1 樣品的標準差Tab.1 The standard deviation of samples ℃

圖5是樣品采用三種方法的測量結溫的結果對比?？梢钥闯?在不同驅(qū)動電流下,光譜分布特征參數(shù)法與正向電壓法、相對藍白比法測量結果誤差較為一致,其誤差在±2 ℃。

圖5 樣品1光譜特征參數(shù)法與正向電壓法、藍白比法結溫測量結果比較Fig.5 The comparison of junction temperature measured with spectral distribution,characteristic parameters method and other methods

圖6為所有樣品的光譜分布特征參數(shù)法測量結果與正向電壓法測量結果對比,其中曲線為實測電流下各樣品采用雙參數(shù)法測量的結溫值,點為采用正向電壓法測量的結溫值。雖然在不同驅(qū)動電流下,不同樣品的結溫數(shù)值不同,但是在同一驅(qū)動電流下,特別是在驅(qū)動電流250～450 mA時,兩種方法的測量結果變化趨勢比較一致。因此,用光譜分布特征參數(shù)法來計算GaN基白光LED具有較好的準確性。

圖6 光譜分布特征參數(shù)法與正向電壓法的測量結果Fig.6 The measurement result of spectral distribution,characteristic parameters method and forward-voltage method

4 結 論

結溫測量對研究LED光色電性能及產(chǎn)品檢測至關重要。本文依據(jù)大功率GaN基白光LED光、熱、電內(nèi)在聯(lián)系,對不同脈沖電流下的LED光譜進行測量,采用質(zhì)心波長和半高全寬聯(lián)合表征芯片發(fā)光光譜分布,分析了光譜分布特征參數(shù)隨電流、結溫的變化趨勢,建立GaN基白光LED光-熱-電關系,并據(jù)此計算LED結溫。經(jīng)實驗驗證,對于1 W GaN基白光LED,結溫測量誤差在1.5 ℃內(nèi)。本方法既具有較好的準確度,又可以克服管腳接觸測量的限制,操作簡單、實用方便,具有較強的應用價值。