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06-18
简介 全球照明协会表示，在不久的将来，大功率发光二极管（Powerlight-EmittingDiodes）将发挥至关重要的作用在通用照明领域。
影响。
2001年以来，大功率LED发展迅速，在很多领域取代了传统光源（如路灯、汽车尾灯、液晶背光源等）。
近年来，LED技术发展迅速。
其光效率的提高和器件成本的降低遵循海兹定律，该定律与摩尔定律类似。
即每10年LED的价格就会下降到原来价值的1/10，性能也会下降。
提高了20倍。
国际上，LED技术正向高功率、高亮度、高效率、低成本方向发展。
功率 LED 的光学和电气特性很大程度上取决于结温。
随着LED功率的增大，结温过高会影响LED的寿命和可靠性，散热问题也日益严峻。
因此，了解功率LED的结温和热阻的变化特性就显得尤为重要。
本文通过正向电压法和红外热成像法研究了功率LED的结温和热阻随电流变化的特性。
1。
功率LED结温测量方法 根据标准，热阻的一般定义是：在热平衡条件下，两个指定点（或区域）之间的温差以及产生这些温差的耗散功率两点。
比率（单位°C/W 或K/W）。
热阻的大小直接影响LED的寿命、出光率、发光强度等。
对于LED来说，由于热源在pn结处，因此其最高温度通常是指pn结的温度，即结温Tj，这也是影响LED可靠性的重要参数。
目前比较成熟的结温测量方法有红外热像仪法和正向电压法（又称标准电法）。
红外热像仪方法通过测量器件工作时芯片表面的红外辐射来给出芯片表面的二维温度分布，从而表征结温及其分布。
此方法只能测量未封装的器件，不能用于成品器件。
测量前需要打开。
正向电压法是一种无损芯片温度测量方法。
与红外热成像法相比，正向电压法具有灵敏度高、测量快速、测试成本低等优点。
2。
实验样品 测试的样品均为路灯和夜景照明用功率LED，包括1WInGaN蓝光和绿光LED、1WAl-GaInP红光和橙光LED以及1W和3W蓝宝石衬底InGaN白光LED。
，所有色片均采用金属铝作为散热基板材料。
1W样品是1mm×1mm的芯片。
3W LED是两个1W芯片并联结构。
白光是通过在 In-GaN 蓝光 LED 表面涂覆 YAG 荧光粉来实现的。
3。
实验及结果分析 测试时，环境温度设置为25℃，驱动电流从mA增加到1A，增长间隔为mA。
3.1 正向电压法测量的热阻分析 图1是环境温度为25℃时1WAlGaInP红、橙LED热阻随驱动电流变化的趋势图。
从图1可以看出，功率为1W的AlGaInP红色和橙色LED的热阻随着驱动电流的增加而增加。
在相同的驱动电流下，橙色AlGaInP LED的热阻值高于红色LED。
在驱动电流变化过程中，橙色LED的热阻值从10.28°C·W-1增加到15.05°C·W-1，红色LED的热阻值从9.85°C·W增加-1至13.25°C·W-1。
造成这种差异的原因是在相同输入功率下，橙色LED的电光转换效率低于红色LED。
也就是说，在相同的注入电流下，AlGaInP橙色LED比红色LED具有更高的结温。
图1：AlGaInP红橙LED热阻变化趋势图 图2为环境温度25℃，1WInGaN绿蓝LED热阻随驱动电流变化趋势图。
从图中可以看出，InGaN绿光和蓝光LED的热阻随着驱动电流的增加而增加。
蓝光LED热阻值从10.02°C·W-1增加到21.57°C·W-1，绿光LED热阻值从13.74°C·W-1增加到17.68°C·W-1 ，其变化幅度比蓝光LED小。
当蓝色LED以大于额定工作电流mA的驱动电流工作时，热阻的变化趋于缓和。
因为当器件工作在大于额定电流的电流时，器件内部的各种缺陷、材料不匹配等都会达到稳定值。
，电流增加对它们的影响并不像低电流阶段那么明显（除非电流增加到足以引起LED内部电极上升和金线熔断），从而导致电流增加驱动电流、器件内阻碍热流传导到外部的障碍物。
没有太大变化。
文章认为，热阻的增加可能是由于大电流引起的电流拥挤效应。
电流拥挤效应又导致电光转换效率降低（辐射复合面积减少）。
虽然输入电功率增加，但随着电流增加，输出光功率降低，最终导致热阻增加。
图2：InGaN绿光和蓝光LED热阻变化趋势图 图3为1WInGaN白光和蓝光LED在环境温度为25℃时热阻随驱动电流的变化趋势图。
虽然白光LED比蓝光LED多了一层YAG荧光粉，但如图3所示，两者的热阻值相差不大，说明YAG荧光粉并没有严重影响1W白光的散热引领。
通过辐射消散的热量非常少。
主要通过芯片到基板的传导和基板到铝基板的传导耗散到外部。
图3：InGaN基白光和蓝光LED热阻变化趋势图 图4为3W白光LED热阻随驱动电流变化的趋势图，其中图4（a）来自American Lighting Jayasinghe 等研究中心。
测量了3W白光LED在环境温度25℃下不同驱动电流下的热阻趋势。
图4(b)是在相同环境温度下测量的3WInGaN基白光LED的热阻趋势图。
。
两个实验中使用的LED芯片尺寸相同，但美国照明研究中心测量的灯管比作者的封装更大。
图4(a)中，当驱动电流从~mA变化时，热阻值从8°C·W-1上升到15°C·W-1。
在相同电流变化范围内，图4(b)的热阻值由7.5℃·W-1增加到19℃·W-1，差异较小，表明我国大功率白电LED发展迅速，散热性能已经比较好。
图4：（a）美国照明研究中心测量的3W白光LED的热阻随电流变化； (b) 3W白光LED的热阻随输入电流的变化而变化。
3.2 正向电压测量结温的方法分析 表1为环境温度为25℃、驱动电流从~mA变化时，1W功率不同颜色LED在相应电流下的结温。
从表中可以看出，各种颜色的功率LED的结温随着驱动电流的增加而增加。
分析认为，随着驱动电流的增大，会在LED内部造成电流拥挤效应。
电流拥挤会导致光输出效率降低（辐射复合减少），从而导致结温升高，而结温升高又会导致LED材料导热系数的变化。
有课题组研究发现，25～℃时GaN的热导率从2.50W/(cm·K)下降到1.75W/(cm·K)[4]；还有人研究，当温度从25～℃时，GaN的热导率从2.0W/(cm·K)下降到1.6W/(cm·K)[5]。
反过来，材料导热系数的降低会限制LED的热传导，进一步提高LED结温。
这种相互制约甚至可能形成恶性循环。
另外，过大的电流还会引起LED接触层之间的失配、焊料劣化等变化，也会导致LED温度升高。
表1：正向电压法测得的1W功率各种颜色LED在不同驱动电流下的结温值 其次，从表中可以看出，采用AlGaInP制成的红色和橙色LED结材料相同的驱动电流下，结温差别不大。
采用InGaN材料制成的蓝光、绿光和白光LED的结温也非常相似，而采用AlGaInP材料制成的LED的结温远低于采用InGaN材料制成的LED。
引领。
这是由于材料带隙宽度的差异造成的。
在相同的输入电流下，InGaN材料制成的LED的电压值高于AlGaInP材料制成的红色和橙色LED。
虽然InGaN材料LED的光电转换效率较高，但其电功率转换为热功率的值仍然大于Al-GaInP红光和橙光LED。
也就是说，在相同的驱动电流下，In-GaN材料LED产生的热功率大于AlGaInP材料制成的红色和橙色LED。
而且，由于InGaN材料的P型掺杂浓度低于AlGaInP材料的P型掺杂浓度，因此InGaN芯片的串联欧姆电阻大于AlGaInP材料的串联欧姆电阻。
串联欧姆电阻在大电流条件下产生的热量也是造成两个芯片LED结温差异的重要因素。
再次证明，采用AlGaInP材料制成的红色LED的结温低于相同芯片材料的橙色LED，这证明了文章中图2 的解释是合理的。
3.3 正向电压法与红外热成像法的比较 利用实验室制作的1mm×1mm芯片，采用正向电压法与红外热成像法进行结温测量方法的比较。
图5是采用两种方法测得的1W蓝光LED在不同驱动电流下的结温变化曲线。
从图中可以看出，两种方法测得的结温值基本相同。
无论哪种方法，结温都随着驱动电流的增加而升高。
正向电压法获得平均温度效应。
相比之下，红外热成像方法可以快速获取器件表面的温度分布图像，展现芯片质量的全局概况，并清晰显示可能导致器件热失效的主要因素热点的分布密度，尤其是近年来。
近年来，通过现代快速发展的计算机技术、微电子技术和图像处理技术的结合，光学测温技术的灵敏度、准确性、稳定性和自动化程度得到了很大提高，其应用领域也越来越广泛。
但其缺点是只能测量未封装的裸芯片，且已封装的芯片必须拆包后才能测量，且测量仪器价格昂贵。
图5：正向电压法与红外热像仪法测得的蓝色LED结温 图6为红外热像仪测得的蓝色LED在驱动时的表面温度分布电流为毫安。
从图中可以看出，这种倒装结构大面积温度分布比较均匀，最高温度为79.37℃，主要集中在靠近N型电极压焊的P区观点。
最低温度70.43℃，温差较小。
主要原因是该LED芯片采用了环形叉指电极结构，减少了电流扩展路径，降低了电流在N型区流动的横向电阻，减少了产生的热量，因此LED芯片的温升降低了。
设备很小。
图6：1W蓝光LED表面温度分布 4.结论 通过测量不同颜色LED在不同驱动电流下的结温和热阻，发现任何颜色LED的热阻都随着驱动电流的变化而变化。
InGaN材料制成的蓝、白光LED工作在低于额定电流时，热阻迅速上升；当驱动电流高于额定电流时，热阻上升速度减慢。
其他颜色LED的热阻随驱动电流的变化率基本不变。
结温也会随着驱动电流的增加而增加。
在相同的驱动电流下，AlGaInP材料制成的红色和橙色LED的结温低于In-GaN材料制成的蓝色、绿色和白色LED的结温。
对正向电压法和红外热像仪法测量的蓝色LED结温值进行了比较，分析了两种方法的优缺点。
结果表明，红外热成像方法能够直观地反映芯片的最高温度区域，并最终根据最高温度来判断器件的故障；然而，正向压降法测量的结温与红外法没有太大区别。
作为一种快速、方便、无损的方法首先可以被广泛采用。
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