光学仪器  2014, Vol. 36 Issue (1): 1-5   PDF    
引用本文
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.  
ZHANG Dawei, XU Jian. Junction temperature measurement in AC-LED using cut-in voltage[J].Optical Instruments ,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@163.com
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。E-mail：jxu_opto@163.com
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    
Junction temperature measurement in AC-LED using cut-in voltage
ZHANG Dawei, XU Jian     
Engineering Research Center of Optical Instrument and System, Ministry of Education, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: At present, the measurement methods of LED junction temperature are mainly aiming at direct current LED(DC-LED), and less methods have been proposed for alter current LED(AC-LED). With regard to this fact, a novel cut-in voltage method was proposed for measuring AC-LED junction temperature. From theoretical analysis and experimental verification, cut-in voltage of AC-LED was found to decrease along with the increase of junction temperature, demonstrating a good linear relationship between the two factors. Therefore, cut-in voltage was confirmed as the temperature variation coefficient(TVC). Further analysis suggested that the repeatability error of junction temperature and thermal resistance could be narrowed down to 2.0 ℃ and 0.6 ℃/W respectively. By comparison, thermal resistance acquired from cut-in voltage method was closer to real value than that of the reference pulse method.
Key words: AC-LED     junction temperature     measurement methods     cut-in voltage method    

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。LED PN 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。Liu Yiwei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= kT q 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≈0.1 V)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- kT q lnTr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(temperature varying coefficient)的方程如下:

为便于工业测量,本文定义开启电流为I0=1 mA。开启电压V0为AC-LED正向电流为1 mA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 AC-LED 1个周期交流电压及电流变化曲线 Fig. 1 The voltage and current variation of an AC-LED in a cycle

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 实验的装置图 Fig. 2 The apparatus of the experiment
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-LED 1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Keithley 2636A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=1 mA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-0.11 V/℃,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88.39 V,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0.9 W,AC-LED的电功率Pe为4.2 W,最终经过计算得AC-LED的热阻为6.8 ℃/W。

图 3 AC-LED 开启工作区域的I-V曲线 Fig. 3 The I-V curve of AC-LED in cut-in area

图 4 开启电压与结温之间的关系曲线 Fig. 4 The correlation between cut-in voltages and junction temperatures

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 地应力预测地震实例 Tab. 1 Examples of earthquake prediction based on field stress measurement

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1 mA做参考电流,电流值从0上升到1 mA,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 不同方法下同一颗AC-LED热阻值的比较 Tab. 2 The comparison among thermal resistance values of the same AC-LED using different methods

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。

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