LED结温的影响及测量方法

导读

当电流通过 LED 元器件的时候，P-N 结的温度会随之上升，并且将 P-N 的温度定义为 LED 结温，LED 结温直接决定着 LED 的光学特性和电学特性。结温的上升会导致禁带的宽度、电子空穴浓度、有效载离子复合率等微观参数变化，从而导致发光波长偏移、 白光 LED 的光度和色度性能变差、寿命变短、加速 LED 光电特性的恶化等，同时封装材料的特性也会在高结温的影响下迅速衰减，从而导致 LED 器件失效。

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结温对 LED 性能的影响

温度过高会严重影响到 LED 器件的工作特性，比如电学参数、寿命以及发光特性。

1.1 结温对 LED 正向电压的影响

当给 LED 输入电流并保持恒定时， 结温和正向电压的关系为：

式中：VF 表示正向电压，n 为一个参量，k 为玻尔兹曼常量，q 是电子电荷，IF 是正向电流，I0 是反 向饱和电流，Ｒs 是电阻。

当 LED 结温上升时，I0会随之增大，与此同时正向电压 VF 会随之减小。当温度不断上升达到高温状态时，由于 PN 结产 生的热量不能迅速散发出去，以至于空穴和电子复合程度不断下降，所以反向饱和电流不断升高， 正向电压不断减小。由于如果 LED 期间在恒压条件下工作，温升效应将会使正向电流上升，正向 电流升高导致温度升高形成恶性循环，最终导致器件损坏。

1.2 结温对 LED 发光特性的影响

光谱功率分布是一种能够形象表达发光二极管的光度参数。这个参数与 P-N 结使用的材料具有密切的关系，更具体地说，与使用的半导体的能隙宽度具有直接关系。这种关系可以从以下表达式描述出来：

式中：λ 为主波长，h 为普朗克常数，c 为光速。

图 1 显示了正向电压与不同半导体材料的能隙宽度的关系。从图 1 中可以看出， 发光二极管是由几种不同基本类型的半导体材料所组成， 通过适当的掺杂，能隙宽度可以被改变，相当于改变了 LED 的波长。

图1 正向电压与不同半导体能隙宽度的关系

有资料表明 LED 波长随结温变化的关系式如下：

λ( T1) = λ( T2) + △T × K

式中：λ( T1) 和 λ( T2) 分别表示结温为 T1 和 T2 时的波长， K 为波长随温度变化的系数， △T 为温差。图 2 为 Lukasz 在实验中得到结温对色 LED 光谱特性的影响。

图2 结温对绿色 LED 光谱特性的影响

图 2 中可以观察到随着结温的增加，发光二极管的最大光效率降低，波长向长波长逐渐变化， 这符合以上所描述的公式关系。并且随着结温的升高，晶格失配导致位错结构缺陷，从而使发光效率和复合效率不断降低，所以导致发光效率和发光强度的降低。另一方面，随着结温的上升荧光粉的光转换效率也会随之降低。

1.3 结温对 LED 器件寿命的影响

LED 器件的寿命与传统发光半导体器件的寿命定义不同，传统发光半导体器件的寿命器件技术定义为器件的失效期限，而 LED 器件的寿命指的是器件的光衰，通常定义为 LED 光通量从开始衰减到初使值的 70% 的时间段为其寿命。

一般造成 LED 光衰的原因可以从以下 2 个方面考虑：

(1) 如图 3 为钟文姣等人通过实验得到 LED 结温与光通量的关系，图 4 是蓝光 LED 配合产生的 YAG 荧光粉的光谱响应曲线。

图3 LED 结温与光通量的关系

图4 YAG 荧光粉的光谱响应曲线

从图 3 可以看出随着 LED 结温的上升，光通量不断降低；从图 4 可以看出荧光粉的峰值响应在 460 nm 处，当入射光波长不断增加超过 460 nm 后，荧光粉的发光强度会迅速不断降低，所以随着结温的升高，主波长会发生红移，从而导致荧光粉光通量输出降低，造成 LED 光衰。

(2) 高温时以及紫外线和蓝光的照射会使透明的环氧树脂的透明度下降严重，并且若结温超过固相转变温度 Tg ( 通常为 125 ℃ ) ，封装材料会由固体状转变为有弹性的物质，环氧树脂的膨胀系数迅速增加，并且当温度不断上升时，环氧树脂会急剧膨胀或者收缩，以至于封装引线受力位移增大导致疲劳和损坏，从而导致器件开路和失效。

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LED 结温的测量方法

2.1 正向电压法

正向电压法是通过利用 LED 的 P-N 结电学参数的温室效应，然后测量工作恒流源下的正向电压来测出 LED 的结温。即式中：U( T2 ) 和 U( T1 ) 分别表示结温为 T2 和 T1 时的正向电压，K 为电压-温度系数。目前，正向电压法是现在最被人认可以及最普遍的 LED 器件结温测试方法。具体的测量步骤如下。

图5 测量原理图

2.1.1 测量电压-温度系数

(1) 测量原理图如图 5 所示，按照原理图所示 连接好电路。

(2) 将连接好的灯珠放置于温度为 T 的恒温 箱，一定时间后温度达到热平衡。

(3) 用低测试电流( 可以忽略其产生的热量对灯珠的影响，测试电流一般取值为 5～10 mA) 快速点测灯珠两端的正向电压值。

(4) 按照以上步骤分别测试恒温箱中温度为 25 ℃、45 ℃、65 ℃、85 ℃、105 ℃、125 ℃ 时灯珠的正向电压，即分别记录灯珠两端的正向电压值。

(5) 对以上测出在特定温度下的正向电压值进行描点得到一个折线图，然后对这些数据点进行线性拟合得到一条直线，得到灯珠压降和结温 的关系式，确定该 LED 压降与结温的关系斜率， 即电压-温度系数 K 值。

2.1.2 电压的测量

(1) 将连接好的灯珠置于温度为 T1 的恒温箱中，给灯珠输入额定电流 If 使其产生自加热。

(2) 维持恒定加热电流 If 足够时间至灯珠工作达到热平衡，正向电压 U( T1 ) 稳定，由于 If 很小，对灯珠的加热也很小，可以认为 T1 等于环境温度。

(3) 达到热平衡后，马上将加热电流 If 迅速切换到测量电流源 Is，并测得正向电压 U( T2 ) 。

2.1.3 结温计算

由公式 U( T2 ) = U( T1 ) + K ( T2－T1 ) ，可以得到 LED 的结温 T2。 图 6 是实验选用 1W 普通正装 GaN 基 LED 进行测量得到正向电压 V 与结温 T 的关系曲线。

图6 正向电压 V 与结温 T 的关系曲线

曲线通过线性拟合得到：

V = 0. 0022T + 3. 4194，Ｒ^2= 0. 9946

从图 6 和公式可以得出正向电压与结温符合线性关系。正向电压法的优点是测量过程简单、 测量结果精确、瞬态响应好、具有非破坏性等，缺点是不易测量成品 LED 灯具。

2.2 管脚温度法

该方法也叫作热阻法或微电偶接触测量法。 图 7 是 LED 管脚温度与正向电压的关系。从图中可以看出，LED 芯片的管脚温度 T 与 LED 正向电压 V 成线性关系。

图7 LED 管脚温度 T 与正向电压 V 的关系

管脚温度法是将热电偶与 LED 器件芯片的管脚或者散热器上，通过读取管脚或者基板的温度和消耗的功率以及热阻系数来得到结温。管脚温度 Ts 和LED 结温可由以下换算公式得到：

Tj= Ts + Pj × Ｒθj－p

式中 Tj 是在稳定状态下 LED 芯片的结温，Ts 是管脚温度，Pj 是 LED 器件消耗的功率，Ｒθj－p是 PN 结到指定外围环境下热阻。

2.3 红外热成像法

红外热成像法是利用红外热成像设备对 LED 器件散发的红外辐射能量采集，然后通过设备里面的光学处理系统和信号处理系统对采集的信息进行处理，并呈现在显示输出模块上。根据史蒂芬－玻尔兹曼定律中红外辐射能量之间的关系，从而得到 LED 器件的结温。

通过红外热成像设备来测试器件结温，优势在于测量简易快捷，但是由于非接触式光学测量法主要针对未进行封装的 LED 芯片，所以缺点就是很难实现直接对 LED 灯具进行结温测量，导致测量误差偏大且仪器价格昂贵。

2.4 蓝白比法

蓝白比法是一种利用 LED 发光光谱的分布来测量结温的非接触式结温测量方法，其优点在于不会影响并破坏 LED 器件的完整性。在恒定的电流下，随着结温的升高，蓝光部分的峰值波长会发生红移，导致荧光粉的有效激发效率降低，所以当温度不断上升时，荧光粉的光转化效率也在不断的减小，蓝光 LED 芯片的发光强度和荧光粉发光强度都会下降，但是荧光粉发光强度的减弱更加明显，从而使光谱中蓝光比例发生改变。

蓝白比法就是根据随温度的变化，InGaN 基蓝光 LED 芯片的发光和荧光粉发光不相同来得到 LED 结温的。结温的函数：

Ｒ = W /B

式中：W 为光谱中整个白光的功率，B 为蓝光部分的功率。图 8 为在恒定的电流下通过改变温度对蓝光峰值波长为 469.4 nm 的白光 LED 测量的结果，图 9 为在恒定温度下通过改变电流对蓝光峰值波长为 460.1 nm 的白光 LED 测量的结果。

图 8 恒定电流下改变环境温度时 469.4 nm

白光LED 的 W /B 值与结温的关系

图 9 恒定温度下改变电流时 460.1 nm

白光 LED的 W /B 值与结温的关系

从图 9 可以看出，蓝白比值 Ｒ 与结温保持很好的线性关系。所以可以先测量 LED 光谱来得到蓝白比值 Ｒ，然后通过以下公式来计算出结温：

式中：Tj 为 LED 结温，T0 为开始时结温，Ｒ 和 Ｒ0 分别为结温为 Tj 和 T0 时的蓝白比，Kr 为结温与蓝白比的比例系数。

所以要测出结温首先要测量出比例系数 Kr。在恒定电流下，测量不同环境温度 T0、T1 下的蓝白比 Ｒ0、Ｒ1，然后通过公式 Kr = (Ｒ0 － Ｒ1)/( T0 － T1 )计算出比例系数 Kr。或者测量多组温度下的蓝白比，然后通过线性拟合得出比例系数 Kr。该方法不足的地方在于仅适用于 InGaN + YAG 白光 LED，难以实现单色 LED 结温的测量。

2.5 光谱法

光谱法是随着 LED 结温上升 时，InGaN 和 AlGaInP 的带隙减小，基于 LED 的发光光谱的峰值波长就会向长波长偏移即发生红移的性质来测量 LED 的结温。 使用峰值波长漂移法可以用来测量 LED 结温的方法是由 E Hong等学者在 2004 年通过实验验证和提出，通过峰值波长随温度变化偏移的关系验证了峰值波长和 LED 结温保持很好的线性关系。并且可以根据变化率通过以下公式计算出 LED 结温：

式中：Tj 为需要测量的结温，Ta 为参考结温，Kp 为峰值波长－结温系数。

Kp 的测量：在电流保持恒定的情况下，通过恒温箱来改变环境温度测量几 组不同的峰值波长，然后通过线性拟合得出 Kp。 图 10 是邱西振等人在实验中采用光谱法测量 1W 的 LED 芯片主波长与结温的关系曲线。

图10 LED 主波长与结温的关系曲线

由图 10 通过线性拟合可以得出主波长与结 温的线性关系为： λD = － 0.051 5Tj + 558.76，Ｒ^2 = 0.9776 由图 10 和关系式可以得出拟合结果符合线性关系。该方法的优点是方便并且不需要接触，缺点是光谱的峰值波长变化小，导致实际测量误差会偏大。

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结论

本文对 LED 功率器件结温的影响以及多种 LED 结温测量方法进行了综述。LED 灯具中最薄弱的环节是散热系统。大多数 LED 灯具故障与散热问题有关，LED 的使用寿命和性能和 LED 的结温直接相关。较高的结温会导致光输出的减少，并加速 LED 的老化。

因此，是否能够正确测量 LED 灯具的结温对于正确 LED 灯具的散热系统和机械结构的设计至关重要。从本文对多种 LED 结温测量方法的对比中可以看出，正向电压法和管脚温度法的测量过程以及测量所需器件简易明了，测量成本低且测量精度高，但是不易于测量成品 LED 灯具。蓝白比法和光谱法测量不破坏灯具结构、高效直观，测量条件及成本较高。

来源/《江西科学》 作者杨伟煌，幸芦笙，吴懿平