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半导体照明中结温的电学法测试与优化

  摘要:基于电学法测试半导体照明的结温,实现了结温测试的电路,采用脉冲调制对LED的瞬态结温值进行测试。实验发现,结温与正向电压的标定系数K值是影响结温测试精度的主要因素,分析了产生误差的主要原因,并对该系数进行修正。测试结果表明:结温的实测值与参考值有良好的一致性,存在误差的原因是采样的延时时间较长,可提高数据采样率和剔除不良数据进行重复测试,以提高结温测试精度。
  关键词:半导体照明;LED结温;标定;多项式拟合
  中图分类号:TN312.8文献标识码:A文章编号:1009-3044(2011)20-5000-03
  Measurement with Electrical Method and Optimization for the Junction Temperature in Semiconductor Lighting
  YUAN You-xiang, BIE Shao-bing, TANG Wei
  (HuBei Jianghan Petroleum Instrument & Meter Co., Ltd, Wuhan 430205, China)
  Abstract: Based on the electrical measurement method on the junction temperature in semiconductor lighting, in this paper, the circuit of junction temperature measurement is designed, the technology of pulse width modulation (PWM) is used to obtain the dynamic junction temperature value. Experiment find that the factor K, the coefficient of junction temperature versus the forward voltage drop has the most important influence in the precision of the estimating junction temperature. Polynomial fit and linear fit are made to modify this coefficient. The results show that a good agreement between the measurement values and the reference values for junction temperature, the error is produced by the large sampling intervals. Improved measurement precision is carried out by enhancing the density of sampled data, relinquishing the bad data, and then by means of duplicated testing.
  Key words: semiconductor lighting; junction temperature of LED; calibration; polynomial fit
  目前半导体照明作为一种新型固态光源,具有节能、环保、寿命长、色彩丰富等显著优点。在半导体照明中,结温是指功率发光二极管(LED)的PN结温度,对于1mm*1mm*0.1mm的芯片尺寸,其芯片的温度被定义为结温。随着LED功率不断增加,有超过70%的电功率被转换为热能,功率型LED的性能受结温的影响极大,直接影响其发光效率、显色指数、色温、主波长、色坐标及使用寿命[1]。同时,由于高结温,封装材料会很快变性导致器件失效。由于LED模块体积小、内部结构复杂,难以直接而准确地测量其内部温度分布[2]。在大功率LED发展中,精确地测试LED结温具有很重要的理论和实际意义。
  国内外有多种方法对半导体照明的结温的进行检测,最直接的方法是将微型温度传感器植入LED封装模块中,在LED芯片和支架之间嵌入一个热敏电阻,通过热敏电阻和温度之间的关系式推算结温,这种测试能实时稳定地监测LED结温,但在实际应用中增加了封装级的成本[3]。另外,拉曼光谱法测试结温是基于拉曼散射谱中的谱线stokes和antistokes在不同温度下的频移来计算结温,这种方法可以得到芯片内部不同微区域的温度分布;同时LED芯片发光峰值波长也与温度之间存在一个函数关系,这两种通过光谱传感的方法由于LED芯片封装在内部,测试时需要打开透镜而导致应用上的局限[4]。目前最常用的结温测试方法是采用电学法进行测试,在一定恒流控制下,通过标定出LED正向电压或扩散电阻(阱电阻)等参数与温度之间的关系来确定结温,其中正向电压法被认为是较理想的传感参数,这种测试方法可以通过脉冲控制方式来获取动态结温温升[5]。本文基于动态测试方法搭建了结温测试电路,并分析了影响结温测试精度的因素,并针对测试误差对标定中采用的函数关系进行优化。
  1 实验系统及优化
  1.1 实验测试原理
  结温测试电路框图如图1所示,设计两个恒流模块,一个恒流输出为LED提供热源,输出电流为350mA,一个恒流源为LED提供测试电流,输出为1mA,两路电流作用时间通过模拟开关进行控制,设计脉冲的占空比为1%,在测试电流期间对LED前向压降值进行采集,为了消除LED自身的环境温度和电性能影响,设计一个参考LED反向输出电路,使用零偏补偿电路对测试的初始值进行定标,三路信号通过求和电路耦合输出,到单片机系统进行放大、A/D转换和显示输出。
  1.2 优化方法
  测试电路进行测试之前,须对LED的结温-正向电压之间的关系系数K进行标定,选用某公司的1W大功率LED模块作为样品,将该样品放高低温循环箱中进行升温,测试的正向压降在低温阶段随温度升高呈线性下降,在超过120℃时压降值呈现加速下降趋势。测试曲线如图2所示,实验得出高温段的数据值需要优化,不能简单用常数K值来近似。
  由肖克莱(Shockley)方程[6]进行推导可得出:
   (1)
  其中Vf为被测LED的前向压降,k是波尔兹曼常数,q是电子电量,n是理想因子,If是前向电流,Rs为LED的串联电阻,Ea是受主杂质活化能,C和r均为材料相关的常数。该推导式可通过泰勒展开式进行多项式分解,为便于分析,将测试数据取绝对值,根据测试曲线形态,采用二次项方程进行拟合,结果如图3所示。
  采用临界温度点对标定数据分段拟合能够精确地解决结温测试过程中标定带来的误差,但同时增加了测试的工作量,且对标定的恒温恒湿箱有较高的控温要求。对不同LED模块测试标准,需要建立相应的数据库来描述K系数特性。
  1.3 实验测试电路及设置
  实验用电路板和测试系统分别如图4(a)、(b)所示,系统提供的最大功率为80W,脉冲占空比为1%,测试系统的电压信号通过Agilent公司的六位半的多功能万用表34410A采样输出,数据传输速率为10Sample/s,经后处理得到瞬态结温值。
  为精确测试LED结温,用直径0.3mm的细铜丝连接模块的引脚,则由封装模块的引脚散热影响可以忽略,测试过程选取LED的采样延时时间在uS级,这样在测试电流与加热电流切换过程中LED芯片的热损失也近似可以忽略。为了确定结温测试的准确性,将热电偶通过焊锡连接到LED底部检测铜热沉的温度,多功能万用表在该设定的采样速率条件下,采样精度可以控制在0.3mV,根据大功率LED的电压-温度系数关系,实测的结温数据精度可以控制在0.3℃范围内。
  2 实验结果
  5颗同类型的LED芯片封装模块平均结温如图5所示,每颗样品的测试值如表1所示,其中参考热阻值为通过仿真得到的数据值,包括了LED模块的体热阻、接触热阻和界面热阻,同时引入了松香层和焊锡层热阻,测试数据表明样品间的一致性非常好,测试误差较小。
  3 结论
  论文采用电学法对半导体照明中的结温进行测试,使用脉冲调制方法测试瞬态的结温变化值,实现了结温测试的电路。提出LED模块的正向压降-温度的关系系数K是影响结温测试精度的主要因素,对不同温度段的K值进行了分段拟合,测试结果表明,同类型的功率LED模块结温一致性良好,换算得到的热阻值能够较好的与参考热阻相对应。
  参考文献:
  [1] 费翔,钱可元,罗毅.大功率LED结温测量及发光特性研究[J].光电子・激光,2008,19(2):289-292.
  [2] Min-Ho Kim,Martin F.Schubert,Qi Dai,et al.Origin of efficiency droop in GaN-based light-emitting diodes[J].Appl Phys.Lett,2007,91:183507.
  [3] Lee C Y,Su A,Liu Y C,et al.In situ measurement of the junction temperature of light emitting diodes using a flexible micro temperature sensor[J].Sensors,2009,9(7):5068.
  [4] Xi Y,Xi J Q,Gessmann T,et al.Junction and carrier temperature measurements in deep-ultraviolet light-emitting diodes using three different methods[J].Appl Phys.Lett.,2005,86(3):031907.
  [5] Quan Chen,Xiaobing Luo,Sheng Liu.Junction temperature testing system of LED design and measurement[J].7th China International Forum on Solid State Lighting,2010:313-316.
  [6] Schubert E F.Light Emitting Diodes[M].2nd ed.Cambridge:Cambridge University Press,2006.
  注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文


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