摘 要：本文以LED为研究对象，以电学测量法测试LED芯片结温，分析加热电流对结温的影响。初步探讨采用红外热成像技术分析LED温度进而推算LED芯片结温的可行性。结果表明LED样品结温大小与加热电流变化近似线性，热成像测得LED温度数据与结温变化规律较为一致。
关键词：LED芯片 结温测量 红外热成像
中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（c）-0004-02
当今时代，能源问题极其重要。在照明领域内，发光二极管（light emitting diodes，LED）以其效率高、寿命长、节能等特点，成为新一代照明产品。LED的光学性能和电性能与LED内部P-N结的温度（即LED结温）有着密切的内在联系。当LED正常工作时，结温逐渐增高，使得LED器件流子的复合效率降低，出射光子必然减弱，导致LED输出光及照明品质的下降。因此研究可靠、快速地测量LED结温的方法成为光电照明工程研究的热点。[1～2]
LED结温测量的方法有多种，其中电学参数测量法是常用的一种。本文首先运用此方法，以1 W单颗LED（6500 K冷白光）为研究对象，分析测试结温与加热电流的关系。此外，采用基于红外测温原理的红外热成像技术，在不破坏LED结构、非接触的前提下测试并获取LED温度峰值点和温度图像，分析LED红外热成像技术与电学参数测量结温这两种测试方法之间是否具有某种联系或变化规律。
1 测试设备及实验
电学参数测量结温所需设备及测试系统装置如图1所示。该套系统为浙江大学三色光电仪器SPR-300LED结温测试系统，分别包括小型积分球（直径为0.5 m）、LED-220T温度控制仪、恒温底座、驱动电源、温度反馈系统以及结温数据处理软件，图1中的5所示为LED样品在系统中的安装位置，即位于积分球的内侧壁。
测试步骤：（1）样品LED型号：美国普瑞BXCE4545450-F1-z的1 W（6500 K）贴片式LED，该样品性能稳定；（2）LED接通驱动电源后，LED安装在位于积分球侧壁的恒温底座上，背面紧贴底座，使温度传递达到最理想状态。把温度控制仪、温度反馈测试仪的探头连接到恒温基座上。实验时将电源设定为稳流模式，调谐电流大小驱动LED器件；底座的温度测试仪实时采样反馈温度；（3）结温测试系统完成设置后开始实验，先测量K系数值；（4）在其它实验条件不变的前提下，选取若干个特定加热电流值，测得LED样品的结温，记录相关测量结果。
2 加热电流对结温的影响
从原理上理解，结温与加热电流的关系非常密切。但两者之间在数学上究竟属于指数变化、线性变化、还是非线性变化的关联，研究较少。我们在分析结温与加热电流的联系时，将测试系统中的被测样品的初始小电流设定为30 mA，将加热时间设置为10 mins，其它温度、湿度及连接方式等测试条件均保持不变。系统中设置加热电流的数值从100 mA开始，依次以50 mA递增，以此对样品结温进行精密分析。实验结束后，获得的结果如下：各加热电流对应的LED器件结温分别为：100 mA-36.01 ℃、150 mA-44.75 ℃、200 mA-52.11 ℃、250 mA-62.01 ℃、300 mA-71.46 ℃、350 mA-81.71 ℃和400 mA-92.53 ℃。将数据绘制成LED结温-加热电流坐标图，得到图2中的离散点。对离散数据点依次运用指数拟合、对数拟合、乘幂拟合、非线性拟合以及线性回归拟合曲线进行预测分析。结果如图2中的拟合曲线所示：结温在100 mA～400 mA范围内，一元线性回归拟合曲线最符合离散数组的变化规律，即近似线性变化。图2同时也给出了拟合曲线的线性公式Y=0.1877×X+16.006（其中X：加热电流，Y：LED器件的结温。）
我们分析结温和加热电流的关系，得到结果有：（1）不同的加热电流，结温并不是稳定不变，而是相应产生较大数值变化；（2）二者近似线性的数学关系，其表征的物理意义在于：加热电流对LED的结温具有定量可调谐功能，且可调电流范围宽、调控幅度显著。而LED的光通量、光效等性能指标较大程度地依赖结温，所以这一现象对于开发可调谐LED照明产品、显示产品，以及合理延长LED寿命、提升照明产品可靠性都具有重要意义。
3 红外热成像测试LED
红外线热成像技术是指通过红外成像测量仪测量物体辐射热能的技术。物体的热能或红外线能量因其波长过长，无法被人眼感知，属于不可见光。但热能作为电磁频谱的一部分，可被探测到热度数据。物体温度越高，即物体的热辐射能量的越大，向外辐射的红外线则越多。人们利用这一特点可以方便地进行非接触的温度测量和热状态分析，从而为工业生产、保护环境等方面提供重要的检测和诊断工具。功能全面的红外热像仪则能扫描生成一幅原本并不可见的红外辐射图像，实现非接触式的精准无损测温。
LED结温是半导体发光二极管内部P-N结的温度，因其包含在LED内部，显然不能直接测量。因此，我们希望通过分析LED表面温度变化，尝试推知其结温范围和近似结果。实验中，运用手持式红外热成像仪，同步测试并记录了不同加热电流150 mA、250 mA、350 mA、450 mA条件下LED样品的红外热成像图（见图3）及具体峰值温度数据： 31.5℃，43.9℃，55.3℃，75.0℃。将本文第2、3部分电参数测量法所得结温数据与红外热成像方法的LED温度最大值进行对比（见图4）。图中横坐标是加热电流（mA），纵坐标是温度（℃），蓝色数据点为电参数测量法的结温数据，红色数据点为红外热成像采集的数据。
我们发现：相同条件下热成像所测温度值均低于LED结温，但二者随着加热电流的增加而上升的规律较为接近，数据和规律具有关联性。图4还可得知，LED红外热成像的数据也符合近似线性，差异在于红外热成像温度数据变化的斜率略小于电参数测试的结温变化斜率，表明热成像测得温度增加较缓慢，没有结温的变化迅速。这可能是由于LED外部温度受环境影响明显，温度越高时与环境温差越大，热传递更加迅速，从而数值变化没有LED器件内部的P-N结温变化显著。即便如此，两组数据之间有望通过进一步的分析计算找到数学函数关系。
4 结语
我们选取1 W LED样品颗粒，用电学参数测量法分析了结温及变化规律，并用红外热成像技术加以辅助分析，得到相关的数据和结论：（1）样品LED结温大小并不是固定值，而是与加热电流密切相关，结温与加热电流数据经拟合分析符合近似线性规律；（2）物理意义上，证明了加热电流对LED结温具有调谐功能；（3）红外热成像技术测得LED温度数据符合LED结温变化规律，二者数据具有一定的关联；（4）初步论证了非接触测量与诊断LED结温的可行性，接下来可进一步研究两者之间的修正函数关系，实现以非接触无损测量的方法精密可靠地分析LED结温。LED将越来越广泛地应用，科研检测机构以多种分析手段来全面研究LED指标，更加快速准确地掌握LED的性能，对于充分发挥LED新一代照明的功能必将起到非常重要的作用。
参考文献
[1] HELIOTOTIS G，Spectral conversion of InGaN ultraviolet microcavity light emitting diodes using fluonne based red，green，blue and white lighe emitting polymer overlayer films [J].Appl，Phys，Lett，2005，87：503-505.
[2]蔡怡，朱腾飞，张俊.一种小型分布式光色度计的设计[J].光学仪器，2012，34（3）：27～32.
