上海理工大学学报  2019, Vol. 41 Issue (4): 368-373   PDF    
采用质心波长表征GaN基白光LED阵列的平均结温
郭杰1,2, 马军山1, 饶丰2, 褚静2     
1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093;
2. 常州工学院 光电工程学院,常州 213002
摘要: 结温是影响LED性能的重要参数,快速、准确地测量LED结温对LED产品设计、性能检测具有重要的意义。在不同驱动电流下,测量了GaN基白光LED阵列不同衬底温度时的归一化光谱分布,计算其质心波长,分析了质心波长随LED阵列平均结温变化关系,测量了LED阵列结温,并与中心波长法的测量结果进行对比。研究结果表明:经光谱仪测量,质心波长与平均结温变化存在良好的线性关系,且随着驱动电流的改变,直线斜率呈指数关系变化。与中心波长法相比,本方法的测量准确度更高。因此,采用质心波长测量GaN基白光LED阵列结温是一种直观的非接触的有效方法。
关键词: 光谱学     结温测量     光谱分析     发光二极管阵列     质心波长    
Characterization of the Average Junction Temperature of GaN-Based White LED Arrays by Centriod Wavelength
GUO Jie1,2, MA Junshan1, RAO Feng2, CHU Jing2     
1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;
2. School of Opts-Electrical Engineering, Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002, China
Abstract: The junction temperature is an important parameter that affects LED performance. It is of great significance to measure the junction temperature of LED quickly and accurately for the design and performance testing of LED products. Under different driving currents, the normalized spectral distribution of the GaN-based white-light LED arrays at different substrate temperatures was measured, and the centroid wavelength was calculated. The relationship between the centroid wavelength and the average temperature of the LED array was analyzed. The junction temperature of the array was measured and compared with that measured by the central wavelength method. The results show that there is a good linear relationship between the centroid wavelength and the average junction temperature, and the slope of the straight line changes exponentially with the change of the driving current. Compared with the central wavelength method, the accuracy of this method is higher. Therefore, using centroid wavelength to measure the junction temperature of the GaN-based white LED array is an intuitive, non-contact effective method.
Key words: spectroscopy     junction temperature measurement     spectral analysis     light emitting diode arrays     centroid wavelength    

随着半导体技术的飞速发展,发光二极管(LED)因其高效、绿色及寿命长等优点迅速普及于各照明和显示领域。P-N结温度升高是阻碍大功率LED发展的主要因素[1-4]。因此,快速、准确地测量LED结温对LED芯片设计、封装、失效检测等环节十分重要。

正向电压法是测量LED结温的国际标准方法[5]。但在测量时往往受到灯具外壳及产品封装等限制,一般难以接触LED管脚,不能实现LED引脚两端电压的测量[6]。同时,其测量条件是在小电流状态下进行,无法及时掌握现场运行的LED灯具结温,这些问题令正向电压法的应用十分受限。因此,非接触式LED结温测量方法受到研究者的关注。在LED阵列结温研究方面,Hong等[7]于2004年提出峰值波长法表征AlGaInP基LED阵列结温,随后张晶晶[8]于2014年研究了GaN基LED峰值波长随结温变化的关系,结果表明,结温每变化1 ℃,峰值波长变化0.04 nm。然而,采用峰值波长法测量阵列结温时,光谱常会多峰重叠或峰值区域平坦,准确判定峰值位置存在较大难度,同时受仪器精度限制,测量误差较大。Chen等[9]于2013年提出中心波长法,采用归一化光谱1/2高处的极限波长的平均值作为阵列平均结温。近年来,本课题组提出采用质心波长和相对光谱差异表征AlGaInP基LED阵列平均结温,结果比中心波长法更为准确,但在研究时尚未考虑电流的影响[10-11]

GaN基白光LED阵列平均结温的变化将导致每一波长对应的相对辐射强度发生变化,而质心波长、半高全款、光谱差异等特征参数与整个光谱分布相关。同时,在不同的驱动电流下,结温对光谱的影响程度不同。因此,可以建立光谱参数与阵列平均结温的关系。基于此,本文研究了采用质心波长表征GaN基LED阵列结温的可行性。

1 测量原理

白光LED光谱受注入电流、结温、灯体散热能力等因素的影响。当结温、电流发生变化,其辐射强度必将发生变化。

质心波长 ${\lambda _{\rm c}}$ 是LED光谱的几何对称波长,计算公式如下[12]

$\displaystyle{\lambda _{\rm c}}{\rm{ = }}\frac{\displaystyle{\int\nolimits_{{\lambda _1}}^{{\lambda _2}} {F(\lambda )\lambda {\rm{d}}\lambda } }}{\displaystyle{\int\nolimits_{{\lambda _1}}^{{\lambda _2}} {F(\lambda )} {\rm{d}}\lambda }}$ (1)

式中: ${\lambda _1}$ ${\lambda _2}$ 为LED光谱分布的上、下限波长,对于可见光LED,一般取380 nm和780 nm; $F\left( \lambda \right)$ 为LED归一化光功率谱分布。质心波长 ${\lambda _{\rm c}}$ 与整个光谱分布密切相关,它能表达光谱能量分布的集中状况。

假设质心波长 ${\lambda _{\rm c}}$ 随白光LED阵列平均结温 ${T_{\rm j}}$ 的变化呈现如下关系,即

$\frac{{{{\partial}} {\lambda _{\rm c}}}}{{{\rm {\partial}} {T_{\rm j}}}} = k$ (2)

当给定驱动电流I0时,上述公式通过积分可表达为

${\left. {{\lambda _c}'} \right|_{I = {I_{\rm{0}}}}} = k\partial {T_{\rm j}} + {\lambda _{\rm c}}$ (3)

式中:k为与结温相关的光谱敏感系数,定义为质心波长−平均结温系数,它随着驱动电流I的不同发生变化; ${\lambda _{\rm{c}}}'$ 为被测条件下的质心波长。

平均结温 ${T_{\rm j}}$ 可以表征为

${T_{\rm j}} = \frac{{{\lambda _{\rm c}}' - {\lambda _{\rm c}}}}{{k(I)}} + T{}_0$ (4)

式中,T0为初始温度。

具体测量流程设计如下:

a. 测量给定小电流驱动、不同温度下的归一化光谱功率分布,计算质心波长 ${\lambda _{\rm{c}}}$ ,求出质心波长−平均结温系数k

b. 改变驱动电流,测量不同电流不同温度下的归一化光谱功率分布,得到一组随驱动电流变化的k,通过拟合得出不同电流下的电流修正公式为

$k(I) = {\sigma _1}\exp \left( - \frac{I}{{{I_1}}}\right) + {\sigma _2}\exp \left( - \frac{I}{{{I_2}}}\right) + {\sigma _0}$ (5)

式中, ${\sigma _0}$ ${\sigma _1}$ ${\sigma _2}$ ${I_1}$ ${I_2}$ 为系数k随电流I变化的拟合系数;

c. 计算待测条件下对应驱动电流Ik值;

d. 测量待测条件Tj下的归一化光谱功率分布,并计算质心波长 ${\lambda _{\rm{c}}}'$ ,结合初始温度T0下的质心波长 ${\lambda _{\rm{c}}}$ 和系数k,代入式(4)计算出待测结温Tj

e. 将不同方法的测量结果进行对比,得出该方法的适用性和准确性。

2 实 验

实验采用改变衬底温度的方式来改变结温,进而研究光谱参数与结温间的关系。实验选择3只1 W GaN基白光串联焊接在铝基板作为研究对象。由于铝基板引入的热阻并不影响本研究,将其放置在温度控制器上,热沉与铝基板、铝基板和温度控制器之间填涂导热硅胶,见图1。这样热沉温度的变化就等于温度控制器的变化。先测量20 mA驱动电流下,衬底温度从25 ℃至65 ℃时白光LED阵列的光谱分布,间隔10 ℃,计算其质心波长。然后改变驱动电流,测量100 mA至500 mA,间隔50 mA条件下不同衬底温度的白光LED阵列的光谱分布,计算质心波长,最后分析质心波长与结温变化的关系。


图 1 测试系统结构图 Fig. 1 Schematic diagram of the test system

图1所示,本实验测量系统由LED300E恒流电源、TC-100温控台、积分球、Hass2000型光谱仪、待测LED阵列等组成。LED300E恒流电源负责给样品LED供电,其误差范围为±1 mA。TC-100温控装置为测试提供稳定的测试衬底温度,其误差范围为±1 ℃。

3 结果与讨论 3.1 白光LED阵列的归一化光谱功率分布

图2为相同测试条件下的单颗灯珠和串联阵列的归一化光谱功率分布。两者整体光谱的质心波长分别为536.8 nm和535.3 nm,差别为1.5 nm;半高宽分别为165.1 nm和158.9 nm,差别为6.2 nm。由图2可以观察出,芯片发光光谱(左侧峰)差别小,其质心波长为447.9 nm和448.4 nm,差别为0.5 nm,半高宽为33 nm和33.1 nm,差别为0.1 nm;而对于荧光粉激发合成光谱(右侧峰),其光谱数据差别比较大。因此,在光谱数据处理上,选择芯片发光光谱作为研究对象。


图 2 单颗灯珠与串联阵列的归一化光谱功率分布 Fig. 2 Normalized spectral power distribution of a single bulb and a tandem array
3.2 恒定驱动电流时阵列质心波长与结温的关系

图3为350 mA驱动电流时样品的质心波长随温度控制器温度(Tc)的变化曲线。由于电流恒定时,温度控制器的变化等于平均结温的变化,因此,可以看出,质心波长随结温呈线性变化,其斜率就是质心波长−平均结温系数k,样品1的k为0.028 nm/℃。曲线的线性误差平均值为0.011 nm,相当于结温误差0.4 ℃。


图 3 质心波长随温度控制器温度的变化 Fig. 3 Variation of centroid wavelengths with the temperature of thermostat
3.3 不同驱动电流时阵列质心波长与结温的关系

图4为样品在不同驱动电流时质心波长和Tc温度的对应关系。当驱动电流恒定时,无论20 mA小电流还是350 mA大电流,质心波长始终与结温呈良好的线性关系。


图 4 各驱动电流下的质心波长随温度控制器温度的变化 Fig. 4 Variation of centroid wavelengths with the temperature of thermostat under different driving currents

表1可见,随着驱动电流的变化,虽然质心波长与结温呈线性关系,但直线斜率k发生变化。质心波长−平均结温系数k随着电流的增加而增大。将各电流下的质心波长结温系数进行拟合,从图5可见,质心波长−平均结温系数与驱动电流呈指数形式增长,式(5)拟合系数分别为−0.007 7,31.35,−0.012 7,527.35,0.036。



表 1 不同驱动电流下质心波长–平均结温系数 Table 1 Average junction temperature coefficients of the centroid wavelength under different driving currents

图 5 质心波长–平均结温系数随驱动电流的变化 Fig. 5 Variation of average junction temperature coefficients of the centroid wavelength with different driving currents

这样只需要知道待测条件下的驱动电流和归一化光谱分布,代入式(4)就可以计算出实时点灯时的GaN基白光LED阵列的平均结温。

3.4 测量精度分析 3.4.1 测量分辨率对比

当采用瞬时脉冲电流测量LED光谱时,由于温控台和风扇的强制散热,LED阵列所产生的热量可忽略,LED阵列平均结温近似为热沉温度。图6是350 mA驱动电流下,白光LED阵列的峰值波长、中心波长和质心波长随热沉温度的变化。从图上可以看出,三者均随热沉温度升高呈线性增加,其中质心波长随温度变化的线性度最好,中心波长和峰值波长随温度变化呈现台阶状上升,中心波长台阶小于峰值波长,这与实验中所采用的光谱仪的扫描步长有关。对于GaN基白光LED阵列,当结温变化20 ℃,峰值波长移动1 nm;当结温变化10 ℃,中心波长移动1 nm。采用最常用的1 nm测量间隔的光谱仪,使用中心波长法或峰值波长法将无法精确测量出LED阵列平均结温的变动。与中心波长和峰值波长相比,温度每变化2 ℃,质心波长移动0.05 nm,质心波长可分辨出更小的温度变化,具有更好的技术优势。


图 6 3种波长随热沉温度的变化 Fig. 6 Variation of three wavelengths with the heat-sink temperature
3.4.2 测量准确度对比

利用本文方法测量实时工作时的LED光谱,根据式(4)计算阵列结温,并与文献[9-10]的中心波长法、质心波长法进行比较,如图7所示,具体数值如表2所示。同样测量条件下,中心波长法与质心波长法最大偏差为3 ℃。同时,相较于AlGaInP基LED,GaN基LED由于器件结构和封装形式的影响,会导致质心波长−平均结温系数随电流发生变化。电流差异越大,其质心波长−平均结温系数差异越大,对结温计算的影响越大,本文提出的方法与不带电流修正的质心波长法最大偏差为2.3 ℃。


图 7 3种方法测量结果比对 Fig. 7 Comparison of measurement results by three methods

表 2 3种方法所测量的结温结果 Table 2 Results of junction temperatures measured by three methods
4 结 论

通过对不同驱动电流、不同衬底温度下的GaN基白光LED串联阵列的光谱进行测量,研究了质心波长与平均结温的变化关系,发现两者始终保持良好的线性相关,同时其斜率随驱动电流改变呈现指数增长趋势。依据此关系,本文提出了一种用质心波长表征GaN基白光LED阵列平均结温的新方法。研究结果表明,当采用同等扫描步长光谱仪,相较于中心波长法和峰值波长法,用带电流修正系数的质心波长法测量白光LED阵列平均结温具有更高的分辨率和准确度。

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