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我们也正在对两种材料进行对比。
结温指半导体元件内部的温度。
在led
中是指芯片内发光层(pn结间设置多重量子阱构造的位置)的温度。
LED芯片
的发光层在点亮时温度会上升。
一般情况下,结温越高,发光效率就越低。
LED随着输入电流的增加尽管光通量会提高,但发热量会变大。
由此会出现发光层的温度(结温)升高而使发光效率降低,功耗增加,从而使结温进一步上升的恶性循环。
通过降低LED芯片封装及该封装安装底板的热阻,使芯片产生的热量得以散发,避免结温上升等改进,可以提高亮度。
结温为:
热阻×
输入电力+环境温度,因此如果提高接合温度的最大额定值,即使环境温度非常高,LED也能正常工作。
例如,在白色LED中,有的LED芯片品种的可容许接合温度最高达到+185℃。
接合温度可因LED的点亮方式而大为不同。
例如,脉冲驱动(向LED输入断续电流驱动,间歇点亮)LED时,结温就不容易上升,而连续驱动(向LED输入稳定电流驱动,连续点亮)LED,结温就容易上升。
芯片蓄热的话光强就会降低
白色LED配备的LED芯片的发光层在点灯过程中温度会上升。
一般情况下,如果被称为结温的发光层部分的温度上升,发光效率就会降低,即使输入电力也不亮。
通过降低LED芯片封装和封装底板的热阻,散发芯片上产生的热量,设法使结温不上升,能够使发光更亮。
(图根据德国欧司朗光电半导体的资料制作)
如果使用提高了结温最大额定值的LED芯片,在安装使用时能够获得很多优点。
例如,由于增加了输入电力,可提高输出功率。
还可以缩小底板的散热片等。
測算LED結溫需要已经把LED安装到散热器里,并且是采用LED恒流驱动器作为电源。
同时要把连接到LED去的两根线引出来。
在通电以前就把电压表连接到输出端(LED的正极和负极),然后接通电源,趁LED还没有热起来之前,马上读出电压表的读数,也就是相当于V1的值,然后等至少1小时,等它已经达到热平衡,再测一次,LED两端的电压,相当于V2。
把这两个值相减,得出其差值。
再被4mV去除一下,就可以得出LED结温了。
实际上,LED多半为很多个串联再并联,这也不要紧,这时的电压差值是由很多串联的LED所共同贡献,所以要把这个电压差值除以所串联的LED数目再去除以4mV,就可以得到其结温。
例如,LED是10串2并,第一次测得的电压为33V,第二次热平衡后测得的电压为30V,电压差为3V。
这个数字先要除以所串联的LED个数(10个),得到0.3V,再除以4mV,可以得到75度。
假定开机前的环境温度是20度,那么这时候的LED结温就应当是95度。
张大伟,许键.AC-LED结温与开启电压关系测量[J].光学仪器,2014,36
(1)1-5.
ZHANGDawei,XUJian.JunctiontemperaturemeasurementinAC-LEDusingcut-involtage[J].OpticalInstruments,2014,36
(1)1-5.
AC-LED结温与开启电压关系测量
张大伟
许键
上海理工大学教育部光学仪器与系统工程研究中心,上海200093
收稿日期:
2013-9-24
基金项目:
国家自然科学基金资助项目(610728007)
作者简介:
张大伟(1986-),男,硕士研究生,主要从事半导体发光器件制作工艺及光电测量方面的研究。
E-mail:
zdw2020@
通讯作者:
许键(1970-),男,教授,博士,主要从事半导体发光器件方面的研究。
jxu_opto@
摘要:
根据交流发光二极管(AC-LED)的工作特征,提出了一种简单而精准的AC-LED结温测量方法:
开启电压法。
通过理论分析和实验发现,AC-LED的开启电压会随着结温的上升而下降,且两者之间有良好的线性关系,从而确认将开启电压作为温度变化参数来间接测量AC-LED的结温。
实验表明,开启电压法测量结温的重复性最大误差为2.0℃,热阻重复性最大误差为0.6℃/W。
经过对比分析,开启电压法得到热阻值比参考脉冲法更接近真实值。
关键词:
AC-LED
结温
测量方法
开启电压法
JunctiontemperaturemeasurementinAC-LEDusingcut-involtage
ZHANGDawei
XUJian
EngineeringResearchCenterofOpticalInstrumentandSystem,MinistryofEducation,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China
Abstract:
Atpresent,themeasurementmethodsofLEDjunctiontemperaturearemainlyaimingatdirectcurrentLED(DC-LED),andlessmethodshavebeenproposedforaltercurrentLED(AC-LED).Withregardtothisfact,anovelcut-involtagemethodwasproposedformeasuringAC-LEDjunctiontemperature.Fromtheoreticalanalysisandexperimentalverification,cut-involtageofAC-LEDwasfoundtodecreasealongwiththeincreaseofjunctiontemperature,demonstratingagoodlinearrelationshipbetweenthetwofactors.Therefore,cut-involtagewasconfirmedasthetemperaturevariationcoefficient(TVC).Furtheranalysissuggestedthattherepeatabilityerrorofjunctiontemperatureandthermalresistancecouldbenarroweddownto2.0℃and0.6℃/Wrespectively.Bycomparison,thermalresistanceacquiredfromcut-involtagemethodwasclosertorealvaluethanthatofthereferencepulsemethod.
Keywords:
junctiontemperature
measurementmethods
cut-involtagemethod
引言
近年来,随着LED在设计、材料、封装技术等方面的应用,一种新的交流发光二极管(AC-LED)技术应运而生[1,2],并不断得到改善。
AC-LED以其应用简便、无需变压转换器以及低成本等优点迅速发展,韩国首尔半导体公司向市场推出了AC-LED系列产品,中国台湾工研院也推出立体散热、热插拔的AC-LED[3,4]。
随着AC-LED应用范围的扩展,以前在LED器件和其应用产品设计过程中可以忽略的问题逐渐受到重视,已有的研究重点关注于AC-LED的器件结构和光电特性,而热特性很少提及。
LEDPN结的温度对LED的使用寿命、输出光强、主波长(颜色)等因素都有很大的影响。
在AC-LED器件及阵列组件中,结构设计将比DC-LED复杂,如果设计不合理将导致PN结温度升高,严重影响到AC-LED的性能、使用寿命和可靠性,因此研究AC-LED结温测量方法对于AC-LED的应用有重要意义。
目前研究LED结温的测量方法仅局限于DC-LED[5,6],研究AC-LED结温测量方法很少。
在现有的DC-LED结温测量方法中,正向电压法[7]被认为是最精确简单的测量方法,其理论依据为正向电压与结温在300K以上时有良好的线性关系[8]。
此种方法是在定标过程中将DC-LED加热到不同温度,给DC-LED极短的脉冲电流同时检测DC-LED的电压,依此建立DC-LED结温与正向电压的关系,对AC-LED的定标过程也可以通过参考脉冲电流建立结温与正向电压的关系,但是在AC-LED正常工作时,正向电压是变化的,检测不到一个稳定的正向电压值,这种方法不能直接应用到AC-LED的结温测量中。
LiuYiwei等人提出了测量AC-LED结温的参考脉冲法[9],在AC-LED驱动电压方向发生变化的瞬间,即正常工作半周期结束后电压值为零的瞬间加入参考脉冲电流,检测这个脉冲电流对应的正向电压的瞬时值,就可以将正向电压法延伸应用于AC-LED结温的测量中。
但是,参考脉冲电流会对结温产生影响,即便是将脉冲电流的宽度压缩到很小,这种影响也不是可以忽略的,而且脉冲电流产生的电压将与驱动电压混合,导致测出的与脉冲电流引起的正向电压偏小,引起较大的结温误差。
在实际工程中这种测量方法使测量设备比较复杂,引起AC-LED结温测量繁冗。
本文提出一种简单精确的AC-LED结温测量方法,即开启电压法。
无需外加脉冲参考电流,只需从测量数据中取得AC-LED正常工作时的开启电压值。
根据Shockley方程推断,AC-LED在不同温度条件下开启电压也会不同,经过定标过程测量不同结温条件下AC-LED的开启电压,发现AC-LED开启电压与结温之间存在良好的线性关系。
1理论
LED是PN结器件,如果给PN结外加一个正向电压,由于PN结的势垒区是高阻区,外加电压主要落在势垒区上,在势垒区中外加电压产生的电场与内建电场方向相反,削弱了内建电场,从而P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子会向对方一边转移,产生正向电流[10]。
通常将开始呈指数变化的电流理解为开启电流,此时的电压值即为开启电压V0。
半导体正向电流的公式为:
式中,IS是半导体器件反向饱和电流;
V是正向电压;
k为波尔兹曼常数;
T为绝对温度;
VT=kTq称为PN结的热电势。
由式
(1)可以看出当外部偏压足够大(V≥4VT≈0.1V)时,可以近似认为正向电流随正向电压增加呈指数关系迅速增加,即
当PN结温度升高时,半导体的费米能级都要向禁带中央移动,同时禁带宽度也变窄,而PN结势垒高度是两边半导体的热平衡费米能级之差,则随着温度的升高,势垒高度降低,PN结工作的开启电压就越低。
半导体器件反向饱和电流IS公式如下:
式中,C是与结面积、掺杂浓度等有关的常数;
r为常数;
Vg(0)为绝对零度时PN结的导带底和价带顶的电势差。
将式(3)代入式
(2),整理之后可得开启电压V0与温度的关系式为:
式中非线性项-kTqlnTr随温度的变化是非常小的,可以忽略不计;
I0为与开启电压V0对应的电流,即开启电流。
由式(4)可以看出,当温度变化时,在某一确定的开启电流下,开启电压V0将随温度T呈异向变化。
由此开启电压随温度变化的参数TVC(temperaturevaryingcoefficient)的方程如下:
为便于工业测量,本文定义开启电流为I0=1mA。
开启电压V0为AC-LED正向电流为1mA时的正向电压值。
图1追踪了AC-LED在一个周期的正弦电压下的电流变化,AC-LED在瞬时电压值达到开启电压V0时开始工作,阴影部分为AC-LED开启工作的区域。
图1
Fig.1
图1AC-LED1个周期交流电压及电流变化曲线Fig.1ThevoltageandcurrentvariationofanAC-LEDinacycle
2测量方法及装置
参照EIA/JEDEC标准[11],结温测量主要有两个部分。
第一部分为定标,获取AC-LED的温度变化系数TVC,第二部分测量AC-LED正常工作时的开启电压,并利用定标得到的TVC系数计算AC-LED正常工作时的结温以及热阻。
这个开启电压值是AC-LED正常工作时的电压瞬时值,为确保一致性,在定标过程中的开启电压值也是在不断变化的正弦电压中获得的。
瞬时值选择开启电压是为保证AC-LED位于初始工作状态,可近似地认为还没有电流通过AC-LED,结温没有受电流的影响开始升高,实验装置如图2所示。
(1)温度变化系数TVC的测量
图2
Fig.2
图2实验的装置图Fig.2Theapparatusoftheexperiment
将被测AC-LED置于恒温箱中,初始温度设为T0,当AC-LED的结温达到T0之后,给AC-LED输入交流电压。
追踪AC-LED1个周期瞬时电流值,后续计算热阻时就可以利用这些数据计算AC-LED的平均电功率,根据追踪得到的电流变化曲线找到AC-LED的开启电压V0。
在每个交流正弦周期中都有4个开启电压,本文开启电压的取值必须是AC-LED工作后第1个周期中的第1个开启电压,如图1所示,否则电流会使AC-LED结温上升。
按照上述步骤从初始温度T0开始,以一定的温度间隔上升获取在不同温度下AC-LED开启电压,以此得到AC-LED的工作开启电压与结温变化关系,其方程式为:
其中T0为恒温箱初始温度。
(2)结温及热阻的测量
将AC-LED从恒温箱中取出,等到AC-LED温度恢复到室温后,置于测试箱中。
给AC-LED供应持续的交流电压,使其加热,当AC-LED达到工作热平衡时采集AC-LED的正常工作时的开启电压Vj。
根据式(6)和AC-LED的正常工作时的开启电压,便可以得到AC-LED稳定工作的结温Tj,另外,热阻也是结温测量中必不可少的参考数据。
首先计算AC-LED的消耗的电功率,方程式如下:
式中,V(t)为瞬时电压值,I(t)为与瞬时电压值对应的电流值,两者的乘积为AC-LED的瞬时功率,m为采集数据点的个数,将数据点的瞬时功率积分并平均得到AC-LED的电功率Pe。
然后用积分球法测量AC-LED正常工作时光功率Po,测量AC-LED正常工作时焊点的温度TL。
AC-LED热阻的计算方程式如下:
此次实验使用的是韩国首尔半导体公司研发生产的AW系列AC-LED,该产品能在交流电下直接工作。
半导体分析仪采用Keithley2636A的可编程电流源表,可以作电流/电压源表,也可以同步读取被测样品的电压和电流值。
本次试验利用Keithley编程的方式来模拟输出一个周期或连续的交流电压,同时追踪AC-LED的电流值;
恒温箱用来在定标过程给AC-LED加热到某一特定的温度,测试箱只用在AC-LED正常工作时的测量过程;
温度探测器用来监测恒温箱的温度;
光谱仪配合积分球用来测量AC-LED正常工作时的辐射功率。
3测量结果及分析
恒温箱的温度分别为40℃、50℃、60℃、…、100℃时给AC-LED一个周期的交流驱动电压,得到一个周期AC-LED的电流值。
如图3所示为AC-LED开启工作区域的I-V曲线,当开启电流取I0=1mA时,AC-LED开启电压随结温的升高有规律地降低。
根据这些开启电压值可以得到开启电压与结温之间的关系曲线,如图4所示,TVC的值-0.11V/℃,式(6)可以整理为Tj=-9.09Vj+900.91。
测得AC-LED正常工作时的开启电压Vj为88.39V,可以计算出此AC-LED的结温值为97.4℃,接着对此颗AC-LED进行热阻推算。
测得AC-LED正常工作时焊点温度TL为75.0℃,辐射功率Po为0.9W,AC-LED的电功率Pe为4.2W,最终经过计算得AC-LED的热阻为6.8℃/W。
图3
Fig.3
图3AC-LED开启工作区域的I-V曲线Fig.3TheI-VcurveofAC-LEDincut-inarea
图4
Fig.4
图4开启电压与结温之间的关系曲线Fig.4Thecorrelationbetweencut-involtagesandjunctiontemperatures
为验证开启电压法测量AC-LED结温的稳定性,进行了重复性试验。
对同一颗AC-LED进行了另外5次测量,编号为2,3,…,6,各次的TVC参数、开启电压值、结温值及热阻如表1所示。
表1(Table1)
表1地应力预测地震实例Tab.1Examplesofearthquakepredictionbasedonfieldstressmeasurement
编号
TVC参数/(V·
℃-1)
结温/℃
热阻/(℃·
W-1)
1
-0.11
97.4
6.8
2
98.5
7.1
3
96.5
6.5
4
98.1
7.0
5
97.2
6.7
6
表1中样品的TVC参数在有效数字之内没有变化,说明开启电压随温度的变化规律非常稳定。
结温的最大值为98.5℃,最小值为96.5℃,最大误差为2.0℃。
热阻的最大值为7.1℃/W,最小值为6.5℃/W,最大误差0.6℃/W。
结温及热阻数据波动小,重复性高,因此开启电压法测量AC-LED结温具有很高的稳定性。
为进一步验证此种方法的准确性,用参考脉冲法对此AC-LED进行结温测量,测量得到的结温为99.7℃,热阻值为7.5℃/W。
根据厂商给出的热阻值Rθ=7℃/W,将三者进行对比,如表2所示。
从这两种方法的测量结果与厂商参考值比较来看,参考脉冲法对AC-LED测量所得到热阻值比厂商提供的热阻参考值高0.5℃/W。
很明显在测量过程中,参考脉冲法测得的正向电压受负向交流驱动电压的影响,使正向电压Vj值偏小,导致计算结温偏大,热阻偏大。
开启电压法所得到的热阻值比厂商提供的热阻参考值偏低,是由于在定标过程中选取1mA做参考电流,电流值从0上升到1mA,结温稍有升高,使测量到的开启电压V0比真实值低,导致计算结温偏小,热阻值也偏小。
但是开启电压法得到的热阻值要比利用脉冲法所得到的热阻值更接近厂商参考值,可以推断开启电压法测量AC-LED结温结果更为准确。
表2(Table2)
表2不同方法下同一颗AC-LED热阻值的比较Tab.2ThecomparisonamongthermalresistancevaluesofthesameAC-LEDusingdifferentmethods
开启电压法
参考脉冲法
厂商参考值
热阻值Rθj-p/(℃·
W-1)
6.8
7.5
7
4结论
本文介绍了一种精确测量AC-LED结温的方法。
该方法运用AC-LED的电热学特性,构建测量系统进行测量,选用开启电压做温度变化参数,得到了开启电压与结温之间的线性关系,从而达到了迅速准确地得出AC-LED结温的目的。
选取的开启电压值是AC-LED的初始工作时的数据,将电流对结温的影响降到最低,使测量结果更为准确。
这种方法无需外加脉冲参考电流,降低了测试设备的复杂程度。
用简单的设备追踪AC-LED的电流变化,也简化了操作流程,使这种方法更适用于工业测试
1W的LED灯,它的电流在18毫安左右,这么小的电流它产生的温度非常低。
1、什么是LED的结温?
LED的基本结构是一个半导体的P-N结。
实验指出,当电流流过LED元件时,P-N结的温度将上升,严格意义上说,就把P-N结区的温度定义为LED的结温。
通常由于元件芯片均具有很小的尺寸,因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。
2.LED的结温得危害。
一、温度过高会对LED造成永久性破坏
(1)LED工作温度超过芯片的承载温度将会使LED的发光效率快速降低,产生明显的光衰,并造成损坏;
(2)LED多以透明环氧树脂封装,若结温超过固相转变温度(通常为125℃),封装材料会向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升,从而导致LED开路和失效。
二、温度升高会缩短LED的寿命
LE
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