采用質心波長表征GaN基白光LED陣列的平均結溫

郭 杰，馬軍山，饒 豐，褚 靜

（1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.常州工學院 光電工程學院，常州 213002）

隨著半導體技術的飛速發展，發光二極管（LED）因其高效、綠色及壽命長等優點迅速普及于各照明和顯示領域。P-N結溫度升高是阻礙大功率LED發展的主要因素[1-4]。因此，快速、準確地測量LED結溫對LED芯片設計、封裝、失效檢測等環節十分重要。

正向電壓法是測量LED結溫的國際標準方法[5]。但在測量時往往受到燈具外殼及產品封裝等限制，一般難以接觸LED管腳，不能實現LED引腳兩端電壓的測量[6]。同時，其測量條件是在小電流狀態下進行，無法及時掌握現場運行的LED燈具結溫，這些問題令正向電壓法的應用十分受限。因此，非接觸式LED結溫測量方法受到研究者的關注。在LED陣列結溫研究方面，Hong等[7]于2004年提出峰值波長法表征AlGaInP基LED陣列結溫，隨后張晶晶[8]于2014年研究了GaN基LED峰值波長隨結溫變化的關系，結果表明，結溫每變化1℃，峰值波長變化0.04nm。然而，采用峰值波長法測量陣列結溫時，光譜常會多峰重疊或峰值區域平坦，準確判定峰值位置存在較大難度，同時受儀器精度限制，測量誤差較大。Chen等[9]于2013年提出中心波長法，采用歸一化光譜1/2高處的極限波長的平均值作為陣列平均結溫。近年來，本課題組提出采用質心波長和相對光譜差異表征AlGaInP基LED陣列平均結溫，結果比中心波長法更為準確，但在研究時尚未考慮電流的影響[10-11]。

GaN基白光LED陣列平均結溫的變化將導致每一波長對應的相對輻射強度發生變化，而質心波長、半高全款、光譜差異等特征參數與整個光譜分布相關。同時，在不同的驅動電流下，結溫對光譜的影響程度不同。因此，可以建立光譜參數與陣列平均結溫的關系。基于此，本文研究了采用質心波長表征GaN基LED陣列結溫的可行性。

1 測量原理

白光LED光譜受注入電流、結溫、燈體散熱能力等因素的影響。當結溫、電流發生變化，其輻射強度必將發生變化。

質心波長λc是LED光譜的幾何對稱波長，計算公式如下[12]：

當給定驅動電流I0時，上述公式通過積分可表達為

式中：k為與結溫相關的光譜敏感系數，定義為質心波長-平均結溫系數，它隨著驅動電流I的不同發生變化；為被測條件下的質心波長。

式中，T0為初始溫度。

具體測量流程設計如下：

a.測量給定小電流驅動、不同溫度下的歸一化光譜功率分布，計算質心波長，求出質心波長-平均結溫系數k；

b.改變驅動電流，測量不同電流不同溫度下的歸一化光譜功率分布，得到一組隨驅動電流變化的k，通過擬合得出不同電流下的電流修正公式為

c.計算待測條件下對應驅動電流I的k值；

d.測量待測條件Tj下的歸一化光譜功率分布，并計算質心波長，結合初始溫度T0下的質心波長和系數k，代入式（4）計算出待測結溫Tj；

e.將不同方法的測量結果進行對比，得出該方法的適用性和準確性。

2 實 驗

實驗采用改變襯底溫度的方式來改變結溫，進而研究光譜參數與結溫間的關系。實驗選擇3只1WGaN基白光串聯焊接在鋁基板作為研究對象。由于鋁基板引入的熱阻并不影響本研究，將其放置在溫度控制器上，熱沉與鋁基板、鋁基板和溫度控制器之間填涂導熱硅膠，見圖1。這樣熱沉溫度的變化就等于溫度控制器的變化。先測量20mA驅動電流下，襯底溫度從25℃至65℃時白光LED陣列的光譜分布，間隔10℃，計算其質心波長。然后改變驅動電流，測量100mA至500mA，間隔50mA條件下不同襯底溫度的白光LED陣列的光譜分布，計算質心波長，最后分析質心波長與結溫變化的關系。

圖1 測試系統結構圖Fig.1 Schematic diagram of the test system

如圖1所示，本實驗測量系統由LED300E恒流電源、TC-100溫控臺、積分球、Hass2000型光譜儀、待測LED陣列等組成。LED300E恒流電源負責給樣品LED供電，其誤差范圍為±1mA。TC-100溫控裝置為測試提供穩定的測試襯底溫度，其誤差范圍為±1℃。

3 結果與討論

3.1 白光LED陣列的歸一化光譜功率分布

圖2 單顆燈珠與串聯陣列的歸一化光譜功率分布Fig.2 Normalized spectral power distribution of a single bulb and a tandem array

圖2為相同測試條件下的單顆燈珠和串聯陣列的歸一化光譜功率分布。兩者整體光譜的質心波長分別為 536.8nm 和 535.3nm，差別為 1.5nm；半高寬分別為 165.1nm 和 158.9nm，差別為 6.2nm。由圖2可以觀察出，芯片發光光譜（左側峰）差別小，其質心波長為447.9nm和448.4nm，差別為0.5nm，半高寬為33nm 和33.1nm，差別為 0.1nm；而對于熒光粉激發合成光譜（右側峰），其光譜數據差別比較大。因此，在光譜數據處理上，選擇芯片發光光譜作為研究對象。

3.2 恒定驅動電流時陣列質心波長與結溫的關系

圖3為350mA驅動電流時樣品的質心波長隨溫度控制器溫度（Tc）的變化曲線。由于電流恒定時，溫度控制器的變化等于平均結溫的變化，因此，可以看出，質心波長隨結溫呈線性變化，其斜率就是質心波長-平均結溫系數k，樣品1的k為0.028nm/℃。曲線的線性誤差平均值為0.011nm，相當于結溫誤差0.4℃。

圖3 質心波長隨溫度控制器溫度的變化Fig.3 Variation of centroid wavelengths with the temperature of thermostat

圖4 各驅動電流下的質心波長隨溫度控制器溫度的變化Fig.4 Variation of centroid wavelengths with the temperature of thermostat under different driving currents

3.3 不同驅動電流時陣列質心波長與結溫的關系

圖4為樣品在不同驅動電流時質心波長和Tc溫度的對應關系。當驅動電流恒定時，無論20mA小電流還是350mA大電流，質心波長始終與結溫呈良好的線性關系。

由表1可見，隨著驅動電流的變化，雖然質心波長與結溫呈線性關系，但直線斜率k發生變化。質心波長-平均結溫系數k隨著電流的增加而增大。將各電流下的質心波長結溫系數進行擬合，從圖5可見，質心波長-平均結溫系數與驅動電流呈指數形式增長，式（5）擬合系數分別為-0.0077，31.35，-0.0127，527.35，0.036。

表1 不同驅動電流下質心波長-平均結溫系數Tab.1 Average junction temperature coefficients of the centroid wavelength under different driving currents

圖5 質心波長-平均結溫系數隨驅動電流的變化Fig.5 Variation of average junction temperature coefficients of the centroid wavelength with different driving currents

這樣只需要知道待測條件下的驅動電流和歸一化光譜分布，代入式（4）就可以計算出實時點燈時的GaN基白光LED陣列的平均結溫。

3.4 測量精度分析

3.4.1 測量分辨率對比當采用瞬時脈沖電流測量LED光譜時，由于溫控臺和風扇的強制散熱，LED陣列所產生的熱量可忽略，LED陣列平均結溫近似為熱沉溫度。圖6是350mA驅動電流下，白光LED陣列的峰值波長、中心波長和質心波長隨熱沉溫度的變化。從圖上可以看出，三者均隨熱沉溫度升高呈線性增加，其中質心波長隨溫度變化的線性度最好，中心波長和峰值波長隨溫度變化呈現臺階狀上升，中心波長臺階小于峰值波長，這與實驗中所采用的光譜儀的掃描步長有關。對于GaN基白光LED陣列，當結溫變化20℃，峰值波長移動1nm；當結溫變化10℃，中心波長移動1nm。采用最常用的1nm測量間隔的光譜儀，使用中心波長法或峰值波長法將無法精確測量出LED陣列平均結溫的變動。與中心波長和峰值波長相比，溫度每變化2℃，質心波長移動0.05nm，質心波長可分辨出更小的溫度變化，具有更好的技術優勢。

圖6 3種波長隨熱沉溫度的變化Fig.6 Variation of three wavelengths with the heat-sink temperature

3.4.2 測量準確度對比

利用本文方法測量實時工作時的LED光譜，根據式（4）計算陣列結溫，并與文獻[9-10]的中心波長法、質心波長法進行比較，如圖7所示，具體數值如表2所示。同樣測量條件下，中心波長法與質心波長法最大偏差為3℃。同時，相較于AlGaInP基LED，GaN基LED由于器件結構和封裝形式的影響，會導致質心波長-平均結溫系數隨電流發生變化。電流差異越大，其質心波長-平均結溫系數差異越大，對結溫計算的影響越大，本文提出的方法與不帶電流修正的質心波長法最大偏差為2.3℃。

圖7 3種方法測量結果比對Fig.7 Comparison of measurement results by three methods

表2 3種方法所測量的結溫結果Tab.2 Results of junction temperatures measured by three methods

4 結 論

通過對不同驅動電流、不同襯底溫度下的GaN基白光LED串聯陣列的光譜進行測量，研究了質心波長與平均結溫的變化關系，發現兩者始終保持良好的線性相關，同時其斜率隨驅動電流改變呈現指數增長趨勢。依據此關系，本文提出了一種用質心波長表征GaN基白光LED陣列平均結溫的新方法。研究結果表明，當采用同等掃描步長光譜儀，相較于中心波長法和峰值波長法，用帶電流修正系數的質心波長法測量白光LED陣列平均結溫具有更高的分辨率和準確度。