LED结温与光谱特性关系的测量

1、第38卷第5期光子学报May2009LED结温与光谱特性关系的测量刘立明,郑晓东(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,杭州310027)3摘要:采用恒定驱动电流改变环境温度和恒定环境温度改变驱动电流两种方法分别对直径5mm封装的AlGaInP型红光和黄光LED,InGaN型绿光和蓝光LED,以及InGaN蓝光+荧光粉的白光LED的结温与其光谱特性进行了测量,得到了不同条件下LED结温与光谱特性的关系.结果表明;AlGaInPLED的峰值波长与结温有良好线性关系,InGaNLED的峰值波长则与结温没有明显对应关系;但白光LED发射光谱的白、蓝功率比与结温有良好线性关系;对AlGaInPLED及蓝

2、光激发的白光LED,通过光谱特性测量可快速、准确地确定光源系统中各LED的结温继而预测光源系统的有效寿命.关键词:LED;结温;光谱特性;峰值波长;非接触中图分类号:TN312+.8文献标识码:A文章编号:100424213(2009)0521069250引言近年来,发光二极管(Light2Emitting,LED)迅速普及12232L的1000h光衰就高达近304,高结温是影响LED有效寿命的最重要因素.快速、准确地测量LED结温就成为研究者所关注的重要问题628.通用照明常将成百上千个LED集成到一个系统中使用,但缺乏对大量LED集成后的热效应进行优化设计,致使系统中部分或全部LED的结温

3、很高,大大降低了LED的有效寿命.集成前单个LED结温的测量可以用正向电压法、热阻法等实现528.但LED集成后,由于灯具外壳、防水绝缘材料等限制,通常无法直接测量各LED引脚上的压降,正向电压法和热阻法的应用受到许多实际限制.Hong等提出利用光谱法可以精确测量LED的结温,继而预测光源的有效寿命9210.Hong测量了9种不同的红色LED,尽管其峰值波长不相同,但峰值波长随结温变化的系数却9非常一致,均为0.1376nm/.正向压降法被认为是最精确的LED结温测量方法11.实验结果显示,驱动电流与环境温度变化所引起的光衰效应并不相同4.本文在利用正向压降法确定LED结温的基础上,研究了不同

4、颜色LED的结温和其光谱特性的关系、光谱结温测量法的适用范围,并给出不同LED的温度系数.选用了直径5mm封装的AlGaInP红光和黄光LED,3InLED,加荧光转换L图1是本实验测量装置的示意.图中:1为恒温箱(利用了智能回流焊炉T200C),用来控制LED的环境温度,准确度为±1;2为LED恒流驱动电源,可调范围为5mA1A,控制准确度优于0.1mA;3为LED和光纤头支架,可方便地调整LED和光纤头的相对位置,并固定;4、5为数字万用表,分别用来测量注入LED的正向电流和LED管脚两端的电压降;6为被测LED;7为光纤,一端用来接收LED光轴方向的发光,另一端和光谱仪的SMA

5、光输入接口相连接;8为带有CCD制冷功能的光纤光谱仪(美国B&WTEKBTC112E型),16位A/D转换、USB2.0计算机接口及光谱分析软件,用来测量光纤接收到的LED光;9为计算机,通过USB接口与光谱仪相连,读取并分析光谱仪测得的数据.图1LED结温与光谱测量装置示意Fig.1Apparatusforjunctiontemperaturemeasurement国家自然科学基金(60778025)资助1.1恒定电流改变环境温度条件下结温的测量LED是一种PN结器件,结本身是很好的温度1070光子学报38卷传感器.当采用恒流驱动时,其正向压降与结温关系的理论推导可参看文献11.从实

6、验结果看,可用简单的线性关系描述LED两端正向压降与结温的关系,即11Tj=+T0K2实验过程与结果设定恒温箱温度为20,启动后稳定30min,使LED与恒温箱温度达到热平衡.通过恒流源对LED提供恒定驱动电流(本实验中所用电流值为白光LED10mA,单色LED20mA),记录下通电瞬间的电压V0,再稳定30min,记录此时的稳定电压Vf和光谱曲(1)式中Vf为温度稳定后的正向压降,T0为恒温箱内的环境温度,Tj为稳定后的结温,V0是与T0对应的正向压降.K为PN结正向压降的温度系数(简称温度系数).对特定LED,通过改变恒温箱内环境温度,测试出不同环境温度所对应的正向压降即可拟合出该LED的

7、系数K.已知系数K,初始结温T0,即可通过测量正向压降Vf来计算LED的结温Tj.这种测量结温的方法叫正向压降法.在恒流驱动条件下,由于LED芯片到环境的热阻是恒定的,故驱动电流引起的结温温升与环境的温度差近似为一恒定值,可以用恒温箱的环境温差来代替LED的结温温差.实验中,温度为20、30、80、90、100,ED,线.此后,依次改变恒温箱的温度,记录温度为30、40、50、60、70、80、90、100时LED的稳定电压和对应的光谱曲线,30图2Vf曲线,利K.图2b)LED是因为其10mA.在改变驱动电流的情况下,LED正向压降的变化量和结温的变化量不再为线性关系.但对特定LED来说,其

8、芯片到管脚的热阻Rj2p近似为恒定值,并可用式(2)计算6Rj-p=VfIf-PlightPj(2)式中Tj为LED芯片的结温,Tp为LED管脚温度,等于环境温度,Pj是LED消耗的电功率,Vf和If分别为LED的正向电压和正向电流,Plight为LED所发射的光功率.计算时可以认为Plight与电功率成比例变化,其非线性量为小量,Pj可以用VfIf近似表示.这种近似会整体高估热阻Rj-p的数值,但基本不影响结温的计算结果.利用正向压降法的测量结果,把各环境温度对应的Tj,Tp,Vf,If值代入上式,得到各温度点的热阻值.通过求平均可得该LED的热阻值Rj-p.故对非恒流驱动的LED,可用式(

9、3)计算结温Tj=Rj-pVFIf+Tp这种结温测量方法叫做热阻法.(3)图2驱动电流恒定,LED正向电压与结温的关系Fig.2Forwardvoltagevs.PNjunctiontemperature用取拟合直线斜率倒数的方法得到的5种不同)分别为:Sred=-2.42,LED的温度系数(mV/Syellow=-1.65,Sgreen=-2.36,Sblue=-2.09和Swhite=-2.26.5期刘立明,等:LED结温与光谱特性关系的测量1071(3)可得到各环境温度下的结温和再利用式(2)、热阻值,对各点的热阻值求平均,得到各LED的平均热阻(/W)分别为Rj-p(red)=322,

10、Rj-p(yellow)=424,Rj-p(green)=465,Rj-p(blue)=505,Rj-p(white)=353.这分别为18、26、34、42、50时的正向压降和光谱曲线.保持恒温箱的温度为20,将LED驱动电流调整为10mA,稳定30min后,记录LED的正向压降Vf和此时的光谱曲线.然后依次测量驱动电流(mA)图3LED结温与峰值波长的关系Fig.3Junctiontemperaturevs.peakwavelength(b)的结果可以看出,对所选用的从图3(a)、AlGaInP红、黄LED,不论固定驱动电流改变环境温度还是固定环境温度改变电流,其峰值波长与结温之间都有良好

11、的线性关系.峰值波长随驱动电流的变化可认为是驱动电流引起的结温变化所产生的.对固定电流改变环境温度所得的结果进行拟合,得到红、黄光LED结温和峰值波长间的关系为:红Tj=6.277(/nm)peak-3931.7黄Tj=6.833(/nm)peak-4016.5从图3(c),(d)看,所选用的InGaN绿、蓝LED,其结温与峰值波长之间没有明显对应关系.图4InGaN蓝+荧光转换白光LED的光谱曲线Fig.4ThespectralpowerdistributionofwhiteLED图中490nm附近添加的粗实线可把整个光谱功率分布曲线分成两部分,左边为LED芯片直接发射的蓝光,右边为荧光粉发

12、出的光.根据文献6、10的结果,InGaN+YAG白光LED全光谱能量测量所得的InGaN蓝+荧光转换白光LED的光谱曲线如图4.1072光子学报38卷与蓝光部分能量的比值(简称白蓝比或W/B)与LED结温有良好线性关系.本实验对InGaN荧光转换白光LED也进行了类似计算,如图5.同样适用于相同四元材料的黄光LED,峰值波长随着结温的升高而线性增加.对AlGaInP红、黄LED,峰值波长法作为一种非接触快速结温测量方法具有重要的实际应用价值.参考文献1ZHAOHua2long,LIANGZhi2yi,SHIXing2chun,etal.ThedesignofLEDusinginoptical

13、projectorJ.ActaPhotonicaSinica,2007,36(2):2442246.赵华龙,梁志毅,石兴春,等.利用LED的投影系统光源设计J.光子学报,2007,36(2):2442246.2SHENMo,LIHai2feng,LUWei,etal.ThemethodofreflectiveflyeyelensdesignforLEDilluminatingprojectionsystemJ.ActaPhotonicaSinica,2006,35(1):93295.沈默,李海峰,吕伟,等.用于LED照明的反射型复眼设计方法图5白光LED的白蓝比与结温的关系Fig.5W/Bra

14、tiovs.junctiontemperatureforwhiteLEDJ.光子学报,2006,35(1):93295.3NARENDRANN,BULLOUGHJ,MALIYAGODAN,etal.WhatisusefullifeforwhiteLEDsJJIllumEngSoc,30(1):57267.4H,JP.WhiteLEDSPI2124.5ThedegradationofGaAlAsredlight2emittingdiodes162721630.6CHENTing,CHENZhi2zhong,LINLiang,etal.Methodsfordeterminingjunctionte

15、mperatureofGaN2basedwhiteLEDsJ.ChineseJournalofLuminescence,2006,27(3):4082412.undercontinuousandlow2speedpulseoperationsJ.MicroelectronicsandReliability,1998,38(10):由图可见,对所测白光LED,在恒流和恒温两种条件下,结温和白蓝比之间具有基本一致的线性关系.合,得到Tj=266B)和文献6,本文在利用式(2)计算LED热阻时忽略了LED的光辐射能量Plight,这将直接导致式(2)的计算值比真实热阻小.如果LED的光能转换效率为3

16、0%,则式(2)计算值可能较实际热阻偏小2540%.所以,尽管人们习惯称式(2)的结果为热阻,但忽略Plight后的数值严格来说更应该理解为一个校正系数,但只要LED的电光转换效率在本文所考虑的温度范围内变化不大,则该系数基本不变.真实热阻与该校正系数之间的系统误差在用正向压降法标定的过程中被消除,所以用该方法计算结温并不会有大的误差.实验结果也显示,用正向压降法和热阻法所获得的结果非常相近.由于热阻值的获得直接利用了正向压降法的结果,故热阻法实际并不是另一种独立的测量方法.陈挺,陈志忠,林亮,等.GaN基白光LED的结温测量J.发光学报,2006,27(3):4082412.7LIBing2

17、qian,BULiang2ji,GANXiong2wen,etal.ResearchontherelationshipofthechangeinforwardvoltagewithtemperatureoflightemittingdiodeJ.ActaPhotonicaSinica,2003,32(11):134921351.李炳乾,布良基,甘雄文,等.LED正向压降随温度的变化关系J.光子学报,2003,32(11):134921351.8MAChun2lei,BAOChao.Studyonmeasurementmethodofthermalperformancesforhighpower

18、LEDanditsapplicationsJ.ActaPhotonicaSinica,2005,34(12):180321806.马春雷,鲍超.高功率LED热特性测试方法研究与应用J.光子学报,2005,34(12):180321806.9HONGE,NARENDRANN.AmethodforprojectingusefullifeofLEDlightingsystemsC.SPIE,2003,5187:93299.10GUY,NARENDRANN.Anon2contactmethodfordeterminingjunctiontemperatureofphosphor2convertedwhiteLEDsC.SPIE,2003,5187:1072114.11XIY,SCHUBERTEF.Junction2tem