毕业设计（论文）-LED结温测试技术的研究.doc

武汉工程大学本科毕业（设计）论文2012 届毕业（设计）论文题 目 led结温测试技术的研究 专业班级 2008级应用光电子01班 学 号 0809040132 学生姓名 学 院 指导教师 指导教师职称 论文成绩 完成日期： 2012年 6月 3日34led结温测试技术的研究investigation on the measuring methods of led junction temperature摘 要随着半导体科学的发展，发光二极管(led，light emitting diode)因其效率高、寿命长、可靠性高等特点等优点正向普通照明领域迅速普及，然而led器件的热特性检测和散热是一个突出的问题，如何保持led的结温在允许范围内，使led始终获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命，一直是一个当前急待解决的课题。 本文简单介绍了led的发展历程、发光原理、应用前景和国内外研发生产现状。研究了大功率led发光原理，分析了led的热学特性及热学参数，阐述了led的结温产生的原因，以及led结温对于其热特性的影响。提出了led结温测量的几种方法，并对几种方法进行了比较。重点提出了一种新的非接触式结温测试法-蓝白比法，不仅可以测量单颗led的结温，还可非接触、快速测量led阵列的结温分布。蓝白比法是一种非接触led结温测量技术，特别是对于大功率白光led。利用led管光谱中w/b都随结温呈现线性变化，说明大功率白光led的结温非接触光谱测量方法是可行、可靠的。关键词：led ：结温热特性：结温测量：蓝白比法 abstract with the development of the semiconductor material technology, led meets the requirements of low-carbon economy because of their high energy saving efficiency, long lifetime and high reliability, and it is, widely used in many fields especially the fields of semiconductor lighting. however, the test of hermal performance and heat dissipation is still a prominent problemin order to obtain stable light output and maintain normal lifetime of the devices, how to keep the junction temperature within the allowable range? this is still a burning question at present.a brief introduction of the led development process, the history of led , the theory of led, application prospect and the status of the study of led around the world included in this paper. investigated the principle of the high power led light, analyses thermal characteristics and thermal parameters of led, elaborated the causation of led junction temperature, as well as led junction temperature for the thermal properties.the measuring methods of led junction temperature is introduced in this paper, and several method is compared . a new non-contact method based on relative radiation intensity is proposed, blue and white ratio method , which is suitable for one single led or the average junction temperature of led array.the dissertation is focused on the non-contact technology of led junction temperature measurement, especially high power white light led. the spectral method has been applied for the measurement and the linear relationship between the power ratio of blue light and white light，and the junction temperature has been established，to confirm that spectral method is validate for junction measurement of high power white light ledskeywords：led：thermal properties of junction temperature ： measuring methods of led junction temperature： blue and white ratio method目 录摘 要iabstractii第一章 文献综述11.1 led发展史11.2 led的结温41.3 结温测量现状与趋势51.4 本文研究的内容6第二章 大功率led技术的实现72.1 gan基 led发光原理特性72.1.1 led的电学特性102.1.2 led的光学特性102.1.3 led的热特性112.2 led的国内外研究现状与趋势132.3 大功率led白光存在的问题14第三章 结温对于led参数的影响153.1 结温对led主要参数的影响153.1.1 结温对led光效的影响153.1.2结温对led发光波长的影响163.1.3结温对led正向电压的影响173.1.4结温对led寿命的影响17第四章 led结温测量技术194.1红外成像法194.2 管脚温度法194.3正向电压法204.4 小电流系数法214.5脉冲电流法224.6 计算机测定法244.7 有限元模拟法244.8 蓝白比法24第五章 总结与展望27参考文献29致谢32武汉工程大学本科毕业（设计）论文第一章 文献综述led是lighting emitting diode的缩写，中文译为发光二极管，这是一种半导体固态发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子复合放出过剩的能量而引起光子发射，从而直接发出各色光谱。与传统光源相比它具有光效高、寿命长、体积小、结构紧凑、启动速度快、绿色环保等优点，这些都使得它在照明领域有很大的应用前景。1.1 led发展史早在1907年，henry joseph round通过在一个金属针和碳化硅晶体之间加上偏压观察到电致发光现象，但是由于其发出的黄光太暗，不适合实际应。1923年，o.w.lessew 观察到碳化硅的pn结具有单向导电性和发光现象。直到1955年前后，半导体理论和发光现象的研究方面取得了突破性的进展，一方面j.haynes提出了有关半导体锗的pn结研究报告：另一方面，g.a.wolff研究了磷化镓的发光现象。上述研究都为此后的发光二极管(light-emitting diode)研究与制造奠定了基础。1968年美国monsanto公司和hp公司首先生产出红色led2发光灯，标志着led正式成为一种电子产品进入市场。此后led的正业化生产速度不断加快，规模不断扩大，品质不断提升，在制造工艺、亮度、发光效率、色彩等方面都取得了实用化的进展，使led成为光电器件的主流产品之一1。早期的发光二极管发光效率非常低，其采用的结构与普通二极管类似，光通量只有千分之一流明。直到1985年，日本的nishizawa利用液相外延方法制备出异质结构gaalas世界上第一个高亮度发光二极管，亮度达到lcd。在提高led亮度研究方面，20世纪八十年代主要研究工作集中在p-n结结构改变和提高内量子效率上面到了九十年代初，四元系-族半导体合金材料ingaalp材料的研究获得成功。研究重点开始从兼顾内量子效率的提高的同时转向外量子效率的提高，由于研究思路的改变使得发光二极管的外量子效率大幅度提高，其主要做法是在半导体材料的衬底引入了布拉格发射结构(dbr)和光学微腔(rc)。接下来科学家们又对led内的反射镜进行了改进，研制出宽角和全角分布布拉格反射镜发光二极管，也大大提高了led的出光率。九十年代初，日本日亚化学公司的nakamura在gan基材料上成功地制备出高亮度蓝色和绿色发光二极管，发光强度超过lcd，紧接着用单量子阱结构获得了大于10cd的蓝、绿、黄ingan基led，将发光二极管发光光谱区由原来的650-560nm扩展到650-470nm，这是led发展史又一个里程碑，由此九十年代也是发光二极管发展最蓬勃的年代，其研究主要集中在提高外量子放率和扩大发光光谱范围方面，实现了三基色发光二极管。led的发射光谱己经覆盖了整个可见光谱区。四十多年来，led发光光谱及光效的发展进程如图11所示37。图1.1 led发光光谱及其光效的发展进程 2006年6月，日亚化学发布开发出了发光效率为1001m/w的白色led消息并开始供应样品，计划同年12月投人量产，这被业界认为是led迈向照明领域的一个新的里程碑8。从发光效率来说，性能超过了普及型荧光灯，可与发光效率较高的hid比肩，2005年该公司曾表示2010年前后量产1001m/w产品，这次公布的消息将量产时间提前了3-4年日亚化学工业即将供应样品的白色led在20ma的输入电流下可得到61m的光通量，属于输入功率仅为0.06w的小功率品种。2006年7月，美同cree公司宣布开发出了发光效率达1311m/w的白光led。该公司表示，此次的产品在led业界将成为新的标杆，并重点强调了其发光效率之高，据悉，这一发光效率值已得到美国国立标准技术研究所(nist：national institute of standards and technology)证实。该白光led使用cree公司的gan类led芯片“ez bright”试制而成。1311m/w的发光效率是施加20ma电流时获得的数值，其色温度为6027k。2006年12月，日亚化学开发发光效率增至1501m/w的白色led，达到了现行产品的l5倍。如果只仅仅将发光效率与其它光琢进行比较，则此款白色led的发光效率达到了提高演色性后同等条件下发光效率为901ndw的荧光灯的约l7倍，为同等条件下发光效率为131m/w的白炽灯的115倍，甚至超过了普遍认为发光效率最高的同等条件发光效率为1321m/w的高压钠灯。此款的白色led与普通led一样，是由蓝色led芯片与yag类黄色荧光体组合而成。采用了与该公司“nichiaraikoh”型号产品相同的封装，当输入20ma电流时可发出色温为4600k，9.41rn的光通量。平均演色评价指数(ra)为95。日亚化学工业计划已着手提高生产技术，以尽早实现1501m/w产品的实用化.。2007年1月，philips lumileds宣布其基于尺寸lmmlmm大芯片的大功率白光led首次突破1001m/w大关，显露出固态照明的真实潜力：在350ma下，光效1151m/w(光通量为1361m)、相关色温(cct)4685k；2000ma下，光透量达5021m，光效为611m/w。尤其是相关色温，其数值远低于之前报道的典型值。2007年8月，最大发光效率高达851rn/w的aigalnp系红色及橙色led由德国欧司朗光电半导体公司研制成功并推向市场，此次共推出了5款产品，主要面向汽车内装照明、led显示器及娱乐设备等，其中两款为红色，其余分别为红橙色、橙色及黄色此次的led配备有使用“thin film”技术的led芯片。通过采用该芯片，红橙色led的发光效率提高到了该公司原产品“lxt67f”系列的3.5倍左右。光强度的最大值及最小值、发光峰值波长及发光效率如下：当输入20ma电流时，红色led亮度为280-900mcd，发光峰值波长为633nm，发光效率为471m/w；另一款红色led当输入20ma电流时，相应的数值分别为355-1120med，625nm-651m/w。当输入20ma电流时，红橙色led为560-1800mcd、617nm、851m/w；当输入20ma电流时黄色led为355-1120mcd、590nm、601m/w。全部产品均采用表面贴装型封装，尺寸大小为3.5mm2.8mm1.9mm，放射角为120度，工作温度范围为-40100。 2007年9月，日亚化学发布了定位为1w级led的下下一代高功率自色led，在350ma电流输入时光通量为1451m，发光效率为1341m/w。与输入电能相对应的光输出的效率为39.5。该产品为yag荧光体及蓝色led芯片组和的品种，芯片尺寸为lmm见方。主要应用范围一般照明设备，色温为4988k，接近一般照明设备要求值-5000k。2008年7月，一款当输入电流为250ma时，光束为901m的“tll2w02-d”白光led由东芝(美国)电子元器件公司量产上市，新款led由2枚输入电流250ma时光束为401m的该公司led芯片组合封装而成。当输入电流为250ma,温度为25时能够得到在cie的色度图坐标(x=0.32，y=0.31)的白光。通过使用低热阻封装，提高了散热性工作温度范围为-40-100接合部温度最高可达到110。正向电流为250ma时的正向电压为6.8v，最大功耗为2.4w。表面安装款式的外形尺寸为10.5mm5.0rnm2.1mm。产品应用范围将主要在工业设备和民用设备。此次实现白色led高效率化的原因是实现了所用的蓝色led芯片的高效率化。该蓝色led在350ma驱动时的光功率为651m/w，波长为444nm。外部量子效率为66.5，为60.3。1a驱动时，光功率可达1.7w。此次发布的下下代产品的问题为正向电压较高。今后将着手实现外延生长方法的优化，以降低正向电压。2008年10月，cree公司在瑞士召开的一个氮化镓的研讨会上宣布其白led的实验室水平已经达到1571m/w，其1021m/w的产品将很快批量生产。 此时，led的应用领域得到了迅速扩展。七十年代，led主要应用于指示领域；八十年代，用于户外显示领域；九十年代，户外电视、汽车指示等领域；上个世纪米，用于交通信号灯；本世纪一开始，人们利用gan基蓝色led作为基础光源，透过荧光粉转换的方法实现了单个led发白光，这一结果使得人们看到了led进入照明领域的希望。led光源在照明孛正逐步得到应用，1999年德国的飞机阅读灯就采用三色led作为光源，飞利浦等公司开发出采用白色led作为光源的路灯，并进行实地实验，取得了良好的效果。澳大利亚首都堪培拉的一条名为anzac parade街道已采用了led作为光源的路灯进行照明。随着世界各国对控制能源、发展环保政策的重视，led绿色照明光源在城市美化作为霓虹灯、建筑装饰、环境绿化照明；在交通管理设施上作为汽车的转向灯、高位制动灯和其它尾灯；在公路的发光标志秘十字路口的红绿黄状态灯等方面都将会得到广泛的应用，现在led应用技术已进入了一个重大的发展时期，并将以越来越快的速度在更加广泛的领域展示其在将来照明领域的领导地位。图1.29是近年来led应用领域拓展趋势及应用实例。 随着led的应用范围日益扩大，特别是近年来高功率超高亮度led的问世极大地拓展了led的应用领域，高光效led市场正由显示领域向照明领域拓展，如今led在娱乐、城市建筑物美化、景观照明等方面非常广泛的应用，并朝日常照明应用的方向发展。而目前led的发光率仅能达到10-20，也就是说还有80-90的热量转换成了热能，高性能led光学陛能和可靠性的提高，都依赖于芯片的结温，因此，好的散热设计要管理好led即芯片pn结的结温，敞热也就成为了大功率led应用的一个关键因素，如何控制结温监控结温成为一个急需解决的问题，尤其是在线无损的结温监控尤显重要。1.2 led的结温led结温10是指pn结区的温度，通常被理解成led芯片的温度。其形成是由于led空穴、电子运动，一部分能量产生有效的光电效应，发出光子；另一部分是以发热的形式消耗掉了，从而导致pn结区芯片发热。对于一个封装好的led发光管来讲，产生结温有两个原因，其一为出光效率低，说明大多数电能转换成热能，产生了结温，其二为led封装的散热能力。散热能力是产生结温高低的关键条件，散热能力强，结温下降，反之散热能力差时结温将上升，其结果将会导致出光效率更低，更进一步推动结温的上升。说明在相同的环境，热阻小(即散热能力强)，光通量几乎与正电流成正比例增加。1.3 结温测量现状与趋势大功率led结温的测量与传统锗硅功率三极管有很大的不同，国内目前也没有形成统一的测量标准。现有的文献中已经提出了一些结温的测量方法，比如正向电压法11,12，管脚温度法12,13，红外成像法14等。正向电压法是利用led的p-n结电输运的温度效应，通过测量工作电流下的正向电压来确定结温。管脚温度法是利用led器件的热输运性质，通过测量管脚温度和芯片耗散的热功率，以及热阻系数来确定结温。红外热成像法是半导体器件结温分布常用的测量方法，优点是测量比较方便，缺点是很容易受到led封装结构的影响，测量误差比较大，响应速度较幔对于瞬态结温的测量则不如电学方法，并且仪器昂贵，速度慢，而且器件是未封装或开封的状态。光谱法15是利用led结温升高时，led的主波长或就会向长波长漂移的现象来测量led结温的。端电压参数法是目前采用最普遍的一种结温测量方法，其中目前最常用的是小电流k系数法和脉冲电流法。小电流k系数16法利用led电输运的温度效应，通过测量工作电流下的正向电压来确定结温，此法首先要测量led在较小电流下(一般取10ma)的k系数，然后使led处于正常工作状态，每隔一定的时间，断开电源，给led一个测试电流脉冲，测出此时led两端的工作电压，根据电压的变化量和测试电流对应的k系数来计算出结温的。脉冲电流法16,17是一种测量结温的新方法，由美国nist实验室的zongyuqin先生提出，它与目前最常用的小电流k系数法同属于电学参数法是通过给被测led器件注入恒定的方波电流窄脉冲，脉冲的幅度与实际额定工作电流相等，分别测量该led器件在不同温度下的正向电压，获得一定电流下正向电压与温度的敏感度系数，而在实际应用中，只要直接测量led在额定工作电流下的正向结电压，利用温度敏感系即可测led的结温。此外脉冲法还非常有可能用于led器件的热容参数测量。另外蓝白比法16,18,19，利用白光led光谱功率分布曲线中蓝光与白光部分积分比值来测量结温，可以避免破坏器件的整体性，并避免由于电学器件接入而带来的系统误差。1.4 本文研究的内容本文研究了大功率led发光原理，分析了led的热学特性及热学参数，阐述了led的结温产生的原因，以及led结温对于其热特性的影响。重点介绍了led的几种测量方法，包括红外成像法、管脚温度法、正向电压法、小电流系数法、脉冲电流法、蓝白比法。比较了几种方法的优劣及试用范围。重点提出了一种新的非接触式结温测试法-蓝白比法，不仅可以测量单颗led的结温，还可非接触、快速测量led阵列的结温分布。蓝白比法是一种非接触led结温测量技术，特别是对于大功率白光led。利用led管光谱中w/b都随结温呈现线性变化，说明大功率白光led的结温非接触光谱测量方法是可行、可靠的。由于led结温非接触测量技术属于一种新的测量技术，其中微观机制尚在研究中，国内外很少有相关技术的报道，对该项技术的研究目前还处于初步阶段。因此，对该项测量技术的理论还有待深入的研究，对该项测试技术还需要在各种类型白光led进行大量试验论证和统计分析，需要进一步的理论与实验研究来揭示led在不同工作电流下辐射光谱与结温关系的规律和机制，为大功率led的正确使用提供依据。第二章 大功率led技术的实现2.1 gan基 led发光原理特性由于led的发光是由于电子和空穴的复合产生的，这和目前照明所用的大部分灯具的发光原理不同。一般的发光二极管使用族、族化合物半导体作为发光材料。根据这些材料的能带结构，它们的发光范围可以从红光到紫外光。目前红光led使用的材料主要是aigalnp，而蓝绿光led及紫外光led的材料主要是aigalnn。虽然族能合物半导体材料的发光范围和族一样可以在红光到紫外光，但这一族的材料极为不稳定，因此目前主要还是使用族的化合物材料作为发光材料。发光效率和材料的带隙有关，能带结构分为直接带隙和间接带隙20,21，如图（2.1 a）和如图(2.1 b)所示。图2.1 直接带隙和间接带隙的能带结构由图可以看出，直接带隙的价带最高点和导带最低点是在同一个k值，而间接带隙材料的不在同一个k值，因此间接带隙材料中电子和空穴复合时除了发光外，还需要声予的配合，所以直接带隙的材料发光效率比间接带隙的要高。目前led用的都是赢接带隙的发光材料。在直接带隙材料中掺入杂质，则会在带隙中产生施主(donor)和受主(acceptor)的能级，因此可能产生不同的复合而发光(如图2.2所示)。图2.2 载流子的复合方式当电子和空穴复合发光时，这些光被称为自发辐射(spontaneous emission)，其发光方向如图2.3(a)所示，是向并个方向发射的，这就是发光二极管的发光特性。如果由于其它入射光的激发而发光被称为激发辐射(stimulated)，其发光方向,如图2.3(b)所示，其方向和入射光方向一致，这种组件被成为半导体激光二极管(ld：laser diode)。目前发光二级光发光都是通过白发辐射。图2.3 自发辐射和激发辐射发光二极管为pn结(junction)的能带结构，p型半导体是掺杂了受主杂质，而n型半导体是掺杂了施主杂质，将两种材料放在一起就是pn结。其中n型半导体产生电子，p型半导体产生空穴，在pn结中间为耗尽层(depletion layer)。当正向偏压(forward bias)加到pn结上时，多余的载流子(carrier)会经过耗尽层而渗透到对方，电子和空穴复合而发光。在不同状态下默结的能带情况如图2.4(a、b、c)所示。图2.4 pn结能带图上图分别表示了p-n结在不同状态下的能带结构，当向p-n注入高密度的电流时电子和空穴复合而发光，其发光的波长入 和能量e的关系为； (2-1) 式中，h为普朗克常数c为光速。发光二级管具有较高的内光电子效率(internal quantum efficiency)，但产生的光子在穿越p-n结时会被材料所吸收，而且光到达材料表面时只有低于临界(critical angle)光才能出射。为了得到更高的内量子效率，通常采用双异质结构，这样可以提高p-n结材料间折射率的差，且提高了光的阈值，所以出射的光强更高且半宽度更窄。发光二极管的辐射发光效率取决于内量子效率和外部量子效率，把它称为电光转换效率(wall plug efficiency, )，是输出光功率和输入电功率之比。 (2-2)式中，表示电子转换为内部光子的效率，表示的是光子的出射效率。2.1.1 led的电学特性led的伏安特性是流过芯片pn结的电流随施加到pn结两端上的电压变化的特性，它是衡量pn结性能的主要参数，是pn结制作得优劣的重要标志。完整的led伏安特性包含正向和反向特性两方面。与普通整流二极管一样，led具有单向导电性和非线性特性。如图(2.5)所示图2.5 led伏安特性曲线led的伏安特性曲线可以划分为正向特性区，反向特性区和反向击穿区3个区。2.1.2 led的光学特性led所发出的光并不是单一波长，其波长分布如(图2.6)所示。led的波长分布有的不对称，有的则有很好的对称性，具体取决于led所使用的材料种类及其结构等因素。不同的led光谱分布曲线尽管所处的位置和形状不同，但都有一个相对发光强度最大处。与相对发光强度峰值对应的相对波长称为峰值波长，用或表示。事实上，只有单色光才有峰值波长。led单色光发射的光谱是典型的线光谱，其峰值波长是由所用发光材料的禁带宽度决定的，可表示为 (2-3)试中：为禁带宽度，单位为电子伏特（ev）；为峰值波长，单位为纳米（nm）。图2.6 led光波长分布图 在led普线峰值两侧，存在发光强度等于峰值一半的两个点(如图2.6中的a,b点)，这两个点间的宽度叫做光谱半宽度（也称谱线宽度或半高宽度），用表示，单位为nm。是led的单色性参数，表示led的光谱纯度。led半宽度通常小于40nm,具体由和热力学温度t(k)确定，可表示为 (2-4)2.1.3 led的热特性当电流流过led时，其pn结的温度（简称结温）将升高。结温的变化势必引起内部电子空穴浓度、禁带宽度和电子迁移率等微观参数的变化，从而使led的光输出、发光波长以及正向电压等宏观参数发生相应的变化。led的光通量输出与结温之间的关系可以表示为： (2-5)试中：是结温为时的光通量输出； 是结温为时的光通量输出；k为温度系数，其值与发光材料有关。alingap和ingan材料的k值分别约为和。当led的结温升高时，材料的禁带宽度将减小，导致led发光波长变长，颜色向红色偏移，这一关系可表示为 （2-6）式中：和分别是结温为和时的主波长；为波长随温度变化的系数，它与材料有关。 当led结温的升高还会引起正向导通电压降 的减小，其变化关系为 （2-7）式中：和分别是在结温为和时的led正向压降；k为电压温度系数，对于alingap和ingan等主要发光材料，k值约为-2mv/。led作为一种半导体器件，主要以热阻表征其本身的热学特性。依据热阻定义，热流通道上的温度差与通道上耗教功率之毙，可如下计算： （2-8）式中是待测器件pn结到指定环境之间的热阻/w；是测试条件稳定时的待测器件的结温；是指定环境的参考温度；是待测器件的耗散功率。因此，为了测定led的热阻须确定2-6式右边的三令参数，其中参数之一的结温则是测量中的重点，结温的测量可通过下式表示的方法进行： (2-9) (2-10)式中是待测器件未施加加热功率前的初始结温；称为温升，是因施加加热功率引起熬结温交化量；k称为温敏参数，是定义与之闻关系的常；是温度敏感参数值的变化量。2.2 led的国内外研究现状与趋势 白光led是实验半导体照明的必由之路。对于led最具有挑战性的应用是代替白炽灯和hid灯等普通光源，而这些都有待于白光led的发展。20世纪90年代，蓝光led和长波紫外led的研制及其产业化，加速了白光led的诞生并及大推动了白光led的发展。在白光led于1998年问世以后的短短几年中，白光led在光通量、发光效率和价格方面都获得了举目的成就，使人们坚定了发展半导体照明的决心和信心21。我国在高亮度led这一领域起步较晚，从1993年开始，中科院半导体所、北京大学、南昌大学等单位在国家863计划和自然科学基金的支持下，在相关领域开始了许多研究工作。但目前在材料质量、器件指标等方面与国际先进水平还有很大差距，特别是在半导体用于照明的一些关键性产业技术上还未能攻克。led产品中技术壁垒最高的是上中游产品的生产，目前窥视这一巨大商机的厂家不少，但由于技术、资金和产业化工艺的限制，国内真正能实现规模化生产的企业还较少。美国在led照明的产业技术开发上一直处于领先地位。lumileds是由philips lighting和agilent(原hp)与1998年合资兴办的公司，旨在开发生产照明用的led产品，以抢占未来巨大的市场。到目前，它所生产的1w、3w和5w的luxeon led是世界上最亮的白光led产品，它的自光效率已经达到120lm/w以上，据了解，国内(如广州晶科电子、广州鸿利光电和佛山国星光电等)生产的大功率自光led可以达到1001m/w。日本在功率型高亮度led的研制与产业化开发方面在国际上处于领先水平，日亚化工、丰田合成和住友电子处于领先地位。日本日亚化工宣布，该公司已与美国发光二极管厂商lumileds达成协议，双方将签定led相关专利技术的交叉授权合约，涵盖的对象包括两家公司拥有的所有led相关专利技术。sumitomo住发电子向美国cree公司一年内订购了一亿美元的led合同，这将是cree公司一年的全部生产能力，住友很显然是想独霸整个高亮度led的市场。德国的osram号称刚强建立了世界上最先进的芯片生产线，将主要用来生产led和半导体激光器。由于osram是世界是第二大灯泡生产厂商，因此用led制成新型节能长寿灯是他们的新目标。2.3 大功率led白光存在的问题目前，尽管白光led在照明领域中的应用已出见端倪，使人们看到了半导体照明之光及其应用前景，但采用白光led实现大规模的半导体照明还有很多问题有待解决。白光led目前存在的主要问题是：1)光通和光效低，白光led的光通大大低于白炽灯、荧光灯和节能灯，其光效大于白炽灯，小于荧光灯和节能灯；2)成本太高，白光led每流明的成本大大高于白炽灯、荧光灯和节能灯；3)寿命太低，虽然目前白光led的寿命高于白炽灯，并与荧光灯和节能灯相差不大，但是大大低于白光led的理论寿命；4)显色指数有待进一步提高若要白光led进人普通照明领域，达到节能和绿色照明效果，人们期望在2010年白光led的性能和价格达到以下指标，(1)光效1001m/w；(2)单位led光源的光通尽可能高，251m以上；(3)高显色性，ra：80.95；(4)成本0.08元/lm为了达到这个目标，应该围绕芯片、荧光体和封装三大要素进行攻关，人们期望蓝芯片的外量子效率在40以上，近紫外芯片在50以上，以进一步提高内量子效率，改进芯片质量和结构，优化取光率等。据文献报道，在10 w的可见光中，由荧光材料所产生的可见光为8.5w，表明荧光材料对灯的光效起决定作用。因此，继续研发蓝光和近紫外光led激发的高效荧光体，提高光转换效率，led的光电的转换效率包括两部分：内量子效率和外量子效率，内量子效率是指电子空穴对在led结区复合产生光子的效率，外量子效率指将led结区产生的光子引出了led后的总效率。由于led内量子效率与外量子效率之间存在巨大的差距，导致高质量led的内量子效率较高，而它的外量子效率却非常有限。对于大功率led而言，led结区的特点决定光的萃取效率不理想，led的gan衬底对光的吸收非常严重，另外它的折射率也很高，导致封装时的光全反射角很小，影响了出光效率。不能出射的光在led结区转换为热能，进一步提高了结温，使晶格震动加剧，从而严重影响led发光的内部量子效率，加剧大功率led的光衰，使大功率led的寿命严重降低。因此，大功率led技术广泛应用于照明领域还需要进一步解决光出射效率 (包含了荧光粉自身的光转换效率和荧光粉层的两部分)，提高yag荧光粉量子效率和优化荧光粉层结构也将有效提高白光led效率；同时，大功率led的结温较高是严重影响其推广和应用的重要问题。要改善大功率led的结温特性，首先要解决结温的有效、准确和便捷的测量。第三章 结温对于led参数的影响3.1 结温对led主要参数的影响3.1.1 结温对led光效的影响结温上升，外延层之间存在晶格失配，形成位错结构缺陷、快速繁衍、降低注入效率和发光效率22,23。led光输出强度会随着结温的升高而降低，这种现象在580至750m范围内非常明显，而当结温下降时，光输出强度将增大，一般情况下，这种变化是可逆与可恢复的，当温度回到原来的值，光强也会回复到原来的状态。但随着温度上升光通量下降，当升至最大极限结温125时，光通量就会急剧下降，直至损坏。led光通量同结温的关系26如图3.1所示。由图可知在一定温度范围内led光通量随着结温的升高基本呈线性下降。红光led较蓝光、绿光led具有更高的温度灵敏性，当结温升至100时，红光led的输出光通量降去了72。图3.1 led光通量随温度变化关系结温对光输出影响的数学表达式如下所示 （3-1）为结温时的光通量，为结温时的光通量，k为温度系数，为结温的改变量()。3.1.2结温对led发光波长的影响当结温上升时，led的发光波长变长，颜色发生红移，显示效果发生偏色led的发光波长一般可分成峰值波长与主波长二类，前者表示光强最大的波长，而主波长可由x，y色度坐标决定，反映了人眼可感知的颜色。对于一个led器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。当温度升高时，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，发生红移，如图3.2所示。图3.2白光led中蓝光峰值波长和黄光峰值波长随温度变化通常可将波长随结温的变化表示如下： (3-2)其中：是结温时的波长，为结温时的波长。白光led中蓝光峰值半波宽与温度也存在相应关系，如图3.2所示，随着逐渐升高，蓝光中光谱半值波宽会增大，这个效应也可以用来测量结温。根据公式： （3-3）其中为光谱半值波宽，为载体密度分布的能量。图3.3白光led中蓝光峰值半宽与温度的关系3.1.3结温对led正向电压的影响 当led结温上升时，led正向电压值值下降led在为常量时，led的p-n结上的正向电压具有负温度系数特性，即随着p-n结温上升，成线性单调下降关系。其表达式为 （3 -4） 式中为环境温度，a,b为线性拟合系数，b是正向压降随温度变化的系数。 但在高温情况下，由于结区缺陷和杂质的大量增殖与聚集，将造成额外复合电流的增加，而使正向电压下降，甚至出现恶性循环。通常，恒流供电是led工作的较好的模式，因为在恒压条件下，温升效应使正向电压下降、正向电流增加，并形成恶性循环，最终导致器件损坏。3.1.4结温对led寿命的影响在高温下，led的光输出特性除会发生可恢复性的变化外，还将随时间产生一种不可恢复的永久性的衰变。图3.4为美国照明研究中心通过测试、概率统计得出的led寿命与结温的关系，横坐标为器件结温，纵坐标为器件的半衰期，单位为小时。对于同一类led器件，在相同的工作电流时，结温越高器件的输出光强衰减得越快。对于一个确定的器件而言，一般来说，结温的大小取决于工作电流与环境温度。工作电流固定以后，环境温度越高，结温就越高，器件性能的衰减速率就越快。反之，当环境温度确定后，器件的工作电流越大，结温也将越高，器件性能衰减的速率就越快。图3.4 led结温与器件寿命的关系图综上所述，led 的pn结温上升会引起led光学、电学和热学性能的变化，甚至过高的结温还会导致封装材料(例如环氧树脂)、荧光粉物理性能变坏，led发光衰变直至失效，因此分析研究led pn结温，是应用led应用的关键所在。在实际应用中关注led pn结温度，设法降低pn结温和led的热阻，是提高led光效最直接的途径。led应用其前景不可限量，把握应用led的基本要素，是通向产业化发展的必由之路24,25。第四章 led结温测量技术如何准确的测量出led的结温对于led的应用是很重要的，由于对于封装好的led，直接测试其芯片的温度是不现实的。现在市场上很多led灯具产品给出温升指标大部分都是基于灯具外壳的温度相对于环境温度的差异，用这种方法来衡量灯具散热性能存在着一定得局限性。因为与影响led器件性能直接相关的是led的pn结的结温。而不同灯具在器件得选取，灯具材料，生产工艺以及散热设计等各方面都有很大得不同，导致从器件pn结到灯具外壳的热阻有很大的差异，在这种条件下，用灯具外壳温度相对环境温度的温升来判断灯具的pn结结温是不科学的。由于材料，工艺和尺寸的不同，大功率led结温的测量与传统锗硅功率三极管有很大的不同，国内目前也没有形成统一的测量标准。以下是led的pn结结温测量的几种方法。4.1红外成像法用红外热成像法测量led结温，优点是测量比较方便，缺点是很容易受到led封装结构的影响，测量误差比较大，响应速度较慢对于瞬态结温的测量则不如电学方法，并且仪器昂贵。4.2 管脚温度法管脚温度法是利用led器件的热输运性质，通过测量管脚温度和芯片耗散的热功率，以及热阻系数来确定结温12,27。结温可以通过换算公式得到： （4-1）其中是管脚温度，是