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摘要：城市道路照明中不可缺少LED灯具，具有运行可靠、高效节电、等诸多优点。本文介绍了测量半导体LED灯具的结温意义和测量方法，供大家参考。
关键词：LED 结温 测量
中图分类号：U41 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
由于LED半导体照明灯具具有光效高、寿命长、不含重金属等突出优点，是继白炽灯、高压汞灯、高压钠灯、金卤灯之后新一代大功率照明产品，因此在城市道路照明系统中，LED路灯应用越来广泛。作为LED路灯的关键光源-LED的质量就成为重要的研究对象，其中LED结温是影响发光效率、使用寿命的重要参数之一。
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器件时，P-N结的温度将上升，严格意义上说，就把P-N结区的温度视之为结温。通常由于器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盟。在LED工作时，可存在以下四种情况促使结温不同程度的上升：
器件不良的电极结构，窗口层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，当电流流过P-N结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。
由于P-N结不可能极端完美，器件的注入效率不会达到100%，而以发热的形式消耗掉了。
由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的极大部分光子（>90%）无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。
LED器件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。
二、意义
（一）结温对LED光输出的影响
实验指出，LED的光输出均明显依赖于器件的结晶。当LED的结温升高时，器件的输出光强度将逐渐减小，而结温下降时，光输出强度将增大。
表（1）列出了相对于25℃而言100℃结温时不同波长响应的InGaAlP与InGaN LED的光输出通量的相对变化值。
表1100℃结温时相对于25℃结温LED光通量的相对变化
一般情况下，光输出通量随结温的增加而减小的效应是可逆的，也即当温度回复到初始温度时，光输出通量会有一个恢复性的增长。这种效应的发生机制显然是由于材料的一些相关参数会随温度变化，从而导致器件参数的变化。如随温度的增加，电子与空穴的浓度会增加，禁带宽度会变小，电子迁移率也将减小。这些参量的变化必定引致器件输出光通量的改变。然而当温度恢复至初态时，器件参数的变化也将随之消失，输出光通量也会回复至初态值。
（二）结温对LED的发光波长与颜色的影响
LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长二类，前者表示光强最大的波长，而主波长可由X、Y色度坐标决定，反映了人眼可感知的颜色。显然，结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受。对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。当温度升高时，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，颜色发生红移。通常可将波长随结温的变化表示如下：
λ（T2）=λ（T1）+ΔTK（nm/℃）
其中：λ（T2）结温T2时的波长
λ（T1）结温T1时的波长
Kd，Kp 主波长与峰值波长随温度的变化系数
表2LED波长偏移系数
（三）结温对LED使用寿命的影响
在高温下LED的光输出特性除会发生可恢复性的变化外，还将随时间产生一种不可恢复的永久性的衰变。所谓最高结温是指确保一个LED器件在正常工作条件在正常工作条件下，器件所能承受的最高温度。为此，当环境温度升高时，应适当减小工作电流，直至当环境温度升至临界温度Tj时，将工作电流减至零，此时结温将等于环境温度。
通常有二种原因促使高温下LED输出性能的永久性衰减，一个原因是材料内缺陷的增殖。众所周知，现代的高亮LED器件通常都采用MOCVD技术在GaAs、蓝宝石等异质衬底上外延生长InGaAlP或InGaN等材料制成，为提高发光效率，外延材料均含有多层结构，由于各外延层之间存在着或多或少的晶格失配，从而在界面上形成大量的诸如位错等结构缺陷。在较高温度时，这些缺陷会快速增殖、繁衍，直至侵入发光区，形成大量的非辐射复合中心，严重降低器件的注入效率与发光效率。另外，在高温条件下，材料内的微缺陷及来自界面与电极的快扩散杂质也会引入发光区，形成大量的深能级，同样会加速LED器件性能的衰变。高温时，LED封装环氧存在着一个重要特性，即当环氧温度超过一个特定温度Tg=125℃时，封装环氧的特性将从一种钢性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状的物质。此时材料的膨胀系数急剧增加，形成一个明显的拐点，这个拐点所对应温度即为环氧树脂的玻璃状转化温度，其值通常为125℃。当器件在此温度附近或高于此温度变化时，将发生明显的膨胀或收缩，致使芯片电极与引线受到额外的应力而发生过度疲劳乃至脱落损坏。此外，当环氧处于较高温度时（即使未超过转变温度Tg），特别是与芯片临近部分的封装环氧会逐渐变性，发黄，影响封装环氧的透光性能。这是一个潜移默化的过程，随着工作时间的延长；LED将逐渐失去光泽。显然工作温度越高，这种过程将进行的越快。为解决这一困难，特别在大功率器件的制作过程中，一些先进的封装结耕已摒弃了环氧材料而改用一些性能更为稳定的诸如玻璃、PC等材料制作透镜；另一个重要方法是让环氧不直接接触芯片表面，中间填充一种胶状的性能稳定的透明硅胶。实践证明，通过如此改进，器件性能与稳定度获得了明显改善。
综上所述，结温作为衡量一个LED 器件使用性能优劣的重要参数，是LED 器件工程应用中可靠性测量的核心要素，也是LED 检测产品中的主要考察对象。特别是形成LED 照明灯组后的结温状态的获取成为LED 照明工程应用中必须解决的关键问题。因此，准确测量半导体LED灯具的结温具有重要的实际意义。
二、LED310仪器应用
1、LED310仪器是杭州远方的用来分析LED的参考热阻、热阻、结温以及电学性能的LED热电性能分析仪。该仪器目前配恒温腔，可以测量单颗LED的参考热阻、热阻、结温、温度系数K等指标。但不可以直接测量灯具里的LED结温。
2、可以利用LED310仪器测量出来的K系数，或得到的LED 工作电压与结温的关系曲线，再通过测量实际灯具里的LED工作电压来得到结温。
三、方法一：电压参数法，
1、先在LED310系统上测量单个LED光源的K系数。（LED厂家有该系数）
2、然后将该光源装进灯具，并将其他所有LED光源全部布满，形成灯具。
3、在点亮灯具前，将精密的直流电压表接在该光源的两端，准备测量LED工作电压。注意引线不要影响灯具的热量散失。灯具不能拆开来测量。
4、点亮灯具，在3秒内，读取电压值Vo，然后继续点灯3-5小时，让热量基本平衡，此时工作电压基本不变，读取电压值Vt
5、结温Tj=To+(Vo-Vt)/K，其中To为点亮测试间环境温度。
四、方法二：电压参数法修改方案，
1、先在LED310系统上测量单个LED光源的K系数。（LED厂家有该系数）
2、然后將该光源装进灯具，并将其他所有LED光源全部布满，形成灯具。
3、在点亮灯具前，将精密的直流电压表接在该光源的两端，准备测量LED工作电压。注意引线不要影响灯具的热量散失。灯具不能拆开来测量。
4、点亮灯具，恒流源输出电流为正常工作电流（如350MA），点灯3-5小时，让热量基本平衡，此时工作电压基本不变，读取电压值Vt
5、改变恒流源输出电流为20MA（或更小），点灯3-5小时，让热量基本平衡，此时工作电压基本不变，读取电压值Vo.
6、结温Tj=To+(Vo-Vt)/K，其中To为点亮测试间环境温度。
五、灯具热阻计算方案
1、热阻公式：RθJX=（TJ-TX）/PH
2、参考热阻，指不考虑光辐射功率，此时，PH为灯具输入总功率，TJ结温，TX环境温度；
3、热阻，指剔除光辐射功率，PH为灯具输入总功率减掉光辐射功率，TJ结温，TX环境温度。
六、评价
1、灯具的实际结温Tj应该小于LED规格书上表明的工作温度。说明灯具散热设计可行。
关键词：LED 结温 测量
中图分类号：U41 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
由于LED半导体照明灯具具有光效高、寿命长、不含重金属等突出优点，是继白炽灯、高压汞灯、高压钠灯、金卤灯之后新一代大功率照明产品，因此在城市道路照明系统中，LED路灯应用越来广泛。作为LED路灯的关键光源-LED的质量就成为重要的研究对象，其中LED结温是影响发光效率、使用寿命的重要参数之一。
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器件时，P-N结的温度将上升，严格意义上说，就把P-N结区的温度视之为结温。通常由于器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盟。在LED工作时，可存在以下四种情况促使结温不同程度的上升：
器件不良的电极结构，窗口层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，当电流流过P-N结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。
由于P-N结不可能极端完美，器件的注入效率不会达到100%，而以发热的形式消耗掉了。
由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的极大部分光子（>90%）无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。
LED器件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。
二、意义
（一）结温对LED光输出的影响
实验指出，LED的光输出均明显依赖于器件的结晶。当LED的结温升高时，器件的输出光强度将逐渐减小，而结温下降时，光输出强度将增大。
表（1）列出了相对于25℃而言100℃结温时不同波长响应的InGaAlP与InGaN LED的光输出通量的相对变化值。
表1100℃结温时相对于25℃结温LED光通量的相对变化
一般情况下，光输出通量随结温的增加而减小的效应是可逆的，也即当温度回复到初始温度时，光输出通量会有一个恢复性的增长。这种效应的发生机制显然是由于材料的一些相关参数会随温度变化，从而导致器件参数的变化。如随温度的增加，电子与空穴的浓度会增加，禁带宽度会变小，电子迁移率也将减小。这些参量的变化必定引致器件输出光通量的改变。然而当温度恢复至初态时，器件参数的变化也将随之消失，输出光通量也会回复至初态值。
（二）结温对LED的发光波长与颜色的影响
LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长二类，前者表示光强最大的波长，而主波长可由X、Y色度坐标决定，反映了人眼可感知的颜色。显然，结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受。对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。当温度升高时，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，颜色发生红移。通常可将波长随结温的变化表示如下：
λ（T2）=λ（T1）+ΔTK（nm/℃）
其中：λ（T2）结温T2时的波长
λ（T1）结温T1时的波长
Kd，Kp 主波长与峰值波长随温度的变化系数
表2LED波长偏移系数
（三）结温对LED使用寿命的影响
在高温下LED的光输出特性除会发生可恢复性的变化外，还将随时间产生一种不可恢复的永久性的衰变。所谓最高结温是指确保一个LED器件在正常工作条件在正常工作条件下，器件所能承受的最高温度。为此，当环境温度升高时，应适当减小工作电流，直至当环境温度升至临界温度Tj时，将工作电流减至零，此时结温将等于环境温度。
通常有二种原因促使高温下LED输出性能的永久性衰减，一个原因是材料内缺陷的增殖。众所周知，现代的高亮LED器件通常都采用MOCVD技术在GaAs、蓝宝石等异质衬底上外延生长InGaAlP或InGaN等材料制成，为提高发光效率，外延材料均含有多层结构，由于各外延层之间存在着或多或少的晶格失配，从而在界面上形成大量的诸如位错等结构缺陷。在较高温度时，这些缺陷会快速增殖、繁衍，直至侵入发光区，形成大量的非辐射复合中心，严重降低器件的注入效率与发光效率。另外，在高温条件下，材料内的微缺陷及来自界面与电极的快扩散杂质也会引入发光区，形成大量的深能级，同样会加速LED器件性能的衰变。高温时，LED封装环氧存在着一个重要特性，即当环氧温度超过一个特定温度Tg=125℃时，封装环氧的特性将从一种钢性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状的物质。此时材料的膨胀系数急剧增加，形成一个明显的拐点，这个拐点所对应温度即为环氧树脂的玻璃状转化温度，其值通常为125℃。当器件在此温度附近或高于此温度变化时，将发生明显的膨胀或收缩，致使芯片电极与引线受到额外的应力而发生过度疲劳乃至脱落损坏。此外，当环氧处于较高温度时（即使未超过转变温度Tg），特别是与芯片临近部分的封装环氧会逐渐变性，发黄，影响封装环氧的透光性能。这是一个潜移默化的过程，随着工作时间的延长；LED将逐渐失去光泽。显然工作温度越高，这种过程将进行的越快。为解决这一困难，特别在大功率器件的制作过程中，一些先进的封装结耕已摒弃了环氧材料而改用一些性能更为稳定的诸如玻璃、PC等材料制作透镜；另一个重要方法是让环氧不直接接触芯片表面，中间填充一种胶状的性能稳定的透明硅胶。实践证明，通过如此改进，器件性能与稳定度获得了明显改善。
综上所述，结温作为衡量一个LED 器件使用性能优劣的重要参数，是LED 器件工程应用中可靠性测量的核心要素，也是LED 检测产品中的主要考察对象。特别是形成LED 照明灯组后的结温状态的获取成为LED 照明工程应用中必须解决的关键问题。因此，准确测量半导体LED灯具的结温具有重要的实际意义。
二、LED310仪器应用
1、LED310仪器是杭州远方的用来分析LED的参考热阻、热阻、结温以及电学性能的LED热电性能分析仪。该仪器目前配恒温腔，可以测量单颗LED的参考热阻、热阻、结温、温度系数K等指标。但不可以直接测量灯具里的LED结温。
2、可以利用LED310仪器测量出来的K系数，或得到的LED 工作电压与结温的关系曲线，再通过测量实际灯具里的LED工作电压来得到结温。
三、方法一：电压参数法，
1、先在LED310系统上测量单个LED光源的K系数。（LED厂家有该系数）
2、然后将该光源装进灯具，并将其他所有LED光源全部布满，形成灯具。
3、在点亮灯具前，将精密的直流电压表接在该光源的两端，准备测量LED工作电压。注意引线不要影响灯具的热量散失。灯具不能拆开来测量。
4、点亮灯具，在3秒内，读取电压值Vo，然后继续点灯3-5小时，让热量基本平衡，此时工作电压基本不变，读取电压值Vt
5、结温Tj=To+(Vo-Vt)/K，其中To为点亮测试间环境温度。
四、方法二：电压参数法修改方案，
1、先在LED310系统上测量单个LED光源的K系数。（LED厂家有该系数）
2、然后將该光源装进灯具，并将其他所有LED光源全部布满，形成灯具。
3、在点亮灯具前，将精密的直流电压表接在该光源的两端，准备测量LED工作电压。注意引线不要影响灯具的热量散失。灯具不能拆开来测量。
4、点亮灯具，恒流源输出电流为正常工作电流（如350MA），点灯3-5小时，让热量基本平衡，此时工作电压基本不变，读取电压值Vt
5、改变恒流源输出电流为20MA（或更小），点灯3-5小时，让热量基本平衡，此时工作电压基本不变，读取电压值Vo.
6、结温Tj=To+(Vo-Vt)/K，其中To为点亮测试间环境温度。
五、灯具热阻计算方案
1、热阻公式：RθJX=（TJ-TX）/PH
2、参考热阻，指不考虑光辐射功率，此时，PH为灯具输入总功率，TJ结温，TX环境温度；
3、热阻，指剔除光辐射功率，PH为灯具输入总功率减掉光辐射功率，TJ结温，TX环境温度。
六、评价
1、灯具的实际结温Tj应该小于LED规格书上表明的工作温度。说明灯具散热设计可行。