大功率白光LED的结温与发光光谱特性研究

　　0 前言

　　发光二极管(1ight emitting diodes，LED)作 为一种新型光源，具有体积小、效率高、寿命长、 环保、节能等特点，从一问世起，就引起了世界的广泛关注。尤其是近年来大功率白光LED的迅速发展，将有望取代白炽灯和荧光灯，成为下一代理 想的固体照明光源。PN结结温是大功率LED的 重要参数之一，它直接影响LED的出光效率，器 件可靠性和器件寿命。LED的结温控制是制备大 功率LED芯片、器件封装和器件应用等每个环节都必须重点考虑的因素，因此对LED结温的测量 成为工程和应用理论研究的热点之一 。蓝光芯 片外涂荧光粉组合方式是目前生产大功率白光 LED通用的方式之一，对于这种大功率白光LED 结温的测量，除了通常可用的红外热像仪测量法和 电学参数测量法以外M J，Narendran等人提出 了一种新方法一光谱法，利用LED光谱中白光与 蓝光组分的比值R来确定结温。它是一种非接触测量方法，不损害LED的整体结构，不破坏LED 的工作状态，是一种理想的测试结温方法。

　　本文以不同类型的1W大功率白光LED为研究对象，改变电流大小和环境温度，对白光LED 的结温和光谱之间的关系进行研究，发现不同类型的白光LED，其白光光谱积分与蓝光光谱积分比值W/B与结温都存在线性关系，但其线性关系式不同。电流和环境温度对此线性关系式的影响并不 完全相同。对于同一LED，不同的电流区域，其 线性关系式也不相同，小电流区域对应的关系式斜 率的绝对值较大。显然这些差别对于采用LED光 谱蓝白比确定结温具有参考价值。

　　1 原理与方法

　　LED伏安特性满足普通二极管方程，可以写为

　　 (1)

　　式中If是正向电流,Vf是正向电压，Io是反向饱和电流，n是理论因子，k是玻尔兹曼常数，T是温度。一般情况下,(1)式中括号里的 “一1”一项可以忽略不计，又考虑到欧姆接触引起的压降，(1)式可写为

　　(2)

　　式中Rs是欧姆接触引起的LED内阻。由(2) 式可看出，在恒定电流下，LED结温与正向压降成线性关系，此线形关系可以表达为

　　(3)

　　式中Vi是初始温度为To时LED两端的电压，Vf是温度为Tp时LED两端的电压，K是电压温度系数。在电流较小时，LED热效应很小，通过恒温箱自动调节，可保持环境温度不变，LED结温近似等于通电瞬间的管脚温度。测量几个已知温度下的同一小电流的电压值通过(3)式线性拟合，得到电压温度系数K。实际中，一般将小电流选在LED伏安特性曲线的拐点处。这样既能保证LED刚好导通，又没有明显的LED自身热效应。

　　对于某一成品LED来说，其散热器件和结构均已固定，PN结到环境的热阻系数是一定的。LED结温和管脚温度满足下面的关系式:

　　(4)

　　其中Tj ,Tp分别是结温和管脚温度，Rθj-p是热阻系数，P热是LED热功率，若LED的发光效率为η，则P热=P(1一η)。功率P等于输入电流IH和正向压降VH的乘积。LED热阻系数可结合正向压降法测得

　　(5)

　　求得热阻系数后，由公式(4)可求出LED的结温。图1是以蓝光芯片外涂荧光粉组合方式生产的白光LED的典型光谱图。为了得到蓝光和白光的光谱积分比值，必须把蓝光从白光中分离出来。如图1所示，减去本底光谱后，对竖线左边的光谱积分得到蓝光光谱积分B，整个光谱曲线积分得到白光光谱积分W。

　　图1白光LED光谱曲线

　　2 实验与结果

　　实验光路如图2所示：固定LED于恒温箱 (恒温波动度≤1 oC)内的支架上;热电偶测量 LED引脚温度，另一只热电偶测量并反馈恒温箱的温度，根据反馈情况调节恒温箱，使恒温箱内温度保持在所需要的值。恒流电源给LED提供稳定的电流，并显示电压和电流示数。光缆一端固定于三维架上，通过调节三维架将LED发出的光耦合进导光光缆(在可见光波段有较好的透过率)，另一端连接荧光光度计(Hitachi F4500，光谱分辨率为0.2 nm)。电脑控制荧光光度计测试光谱并存储和处理数据。

　　本实验在暗室进行，具体测量过程如下：

　　(1)设定恒温箱温度，恒定2h，待系统稳定后，测量光谱本底数据。打开恒流电源，输出小电流 (本文选用6 mA，12 mA，30 mA，50 mA)， 15～20 min后，待LED状态稳定后，记录下LED 两端电压Vi、LED引脚温度Tp和光谱分布SPD。

　　(2)调节恒流电源，输出大电流IH(本文选用了150 mA，250 mA，350 mA)，持续通电15—20 min，待系统达到热平衡后，分别记录下LED两端电压VH、管脚温度Tp以及LED光谱分布SPD。关掉恒流电源，立刻测量本底光谱。因为关掉电源后，LED结温下降很快，若不立刻测量，恒温箱内局部环境将会发生变化。

　　图2实验装置简图

　　1.恒温箱 2.支架 3.白光LED 4.恒流电源 5.热电偶 6.光缆 7.荧光光度计 8.电脑

　　(3)恢复大电流IH，待其稳定后，迅速由小电流IM代替大电流IH，快速记录此时电压值Vf。

　　(4)调节恒温箱的温度(本文选用25℃，35℃，45℃，55℃，65℃)，按照相同的步骤测量其它环境温度下的光谱和其它参数。

　　将各个温度下LED两端电压代入公式 (3)，用最小二乘法进行线性拟合，得到暖白LED1和冷白LED2的电压温度系数K分别为2.06 mV/℃和1.87 mv/℃。

　　将计算出的电压温度系数K及测量电压、电流等值带人公式(4)拟合得到LED1和LED2的热阻系数Rθj分别为32.02℃/W和30.29℃/W。

　　图3是在相同电流和温度下，LED1和LED2 的归一化发光光谱，从图3中可看出：两种管子的蓝光峰吻合得很好，但黄光峰的中心波长有所不同，黄光强度也不一样，这是由于荧光粉的含量不 同。暖白管(LED1)黄光强，蓝白比 也较大， 暖白管的色温为3 000 K;冷白管(LED2)的黄光较弱，色温为6800K。

　　图3两种LED管的归一化发光光谱

　　把热阻系数代入公式(4)，求得各个状态下的结温Tj，利用上面叙述的方法计算出白光光谱 积分W和蓝光光谱积分B，并得到它们的比值R。 以结温Tj为横坐标，蓝白比R为纵坐标，画出两个LED管R与结温的关系。从图4可以看出，环境温度升高，引起LED结温升高，不同电流的蓝白比W/B与结温Tj成线性关系，但不同的LED 其线性关系斜率有所不同。从图5可以看出，电流增大引起LED结温升高，蓝白比W/B与结温Tj成线性关系。但是对于不同型号的LED，其斜率亦并不相同，这 来源于不同LED管的荧光粉的量不同，是白光 LED的特征属性之一。电流的增大和环境温度的 升高都将引起结温的升高，但他们对蓝白比与结温 的线性关系的贡献是不同的，例如，图4中LED2 斜率为6.77×10-4，图5中LED2斜率为7.51× 10-4，有微小差别。从图4和图5中还可以看出， 对应于小电流区域的蓝白比与结温的关系式，具有绝对值比较大的斜率。

　　图4两种LED管在环境温度不同电流恒定时W/B 与结温的关系

　　图5两种LED管在工作电流不同环境温度恒定(T=45℃)时W/B与结温的关系

　　图6是电流为6 mA，30 mA，250 mA在温度 T=65℃时经处理后的光谱图，把所有光谱黄光峰 值设定为1，观察蓝光峰，发现蓝光峰峰值随着电 流的减小而减小，蓝光峰波长亦有所红移，峰值处 波长分别为449.6 nm，451.8 nm，454.4 nm。蓝 光峰半高宽分别是17.4 nm，21.2 am，23 nm，随着电流的增大而增大。对于其它电流和温度也有类似的规律。在小电流处，蓝光部分峰值下降，半高宽减小，意味着蓝光强度变低，荧光粉的有效激发 效率也变低。所以，随着结温的升高导致的光谱蓝 白比下降对小电流影响更为严重，下降更快，其斜 率绝对值也更大。另外，在PN结内存在小电流的过趋热效应，即测量电流越小，高温区与低温区的电流密度的比值越大，电流越集中在高温区，从而产生更多的焦耳热使高温区的温度更高。尤其是小电流情况下，这种效应更明显，结温不能均匀分布，易造成测量误差。小电流一般选在伏安 特性曲线的拐点处，比一般工作电流和额定电流小得多，这种效应造成的误差不可忽略，小电流与大 电流的斜率也就会不一致。 通常LED管的工作电流和额定电流都远离LED管瞬间导通电流，即一般工作在文中所述的大电流区域，通过测量这个电流区域白光LED的光谱得到结温与光谱的关系式，就能快速得到LED的结温。

　　图6同一温度下不同电流的归一化光谱图

　　3 总结 本文以两种不同型号的大功率白光LED为研究对象，测量了LED的结温与光谱，得到了白光光谱积分与蓝光光谱积分B的比值与结温的线 性关系式。不同类型的白光LED其关系式不同; 电流引起的结温升高和环境温度引起的升高，对此 线性关系的贡献存在一定差别。对于同一LED，在不同的电流区域内，此线性关系的斜率并不相同。在实际中应用蓝白法测量白光LED结温时需 要注意这些特点。进一步的理论与实验研究将揭示 LED在不同工作电流下光谱一结温关系的规律和机制，为LED的正确使用提供依据。

编辑：Cedar