朱简约 李乐天 陈 乾

(1东南大学物理国家级实验教学示范中心，江苏 南京 211189; 2南京师范大学附属中学江宁分校，江苏 南京 211102; 3东南大学吴健雄学院，江苏 南京 211189)



物理实验

大功率LED结温与器件表面温度关系的研究

朱简约1,2李乐天1,3陈 乾1

(1东南大学物理国家级实验教学示范中心，江苏 南京 211189;2南京师范大学附属中学江宁分校，江苏 南京 211102;3东南大学吴健雄学院，江苏 南京 211189)

本文利用东南大学自主研发的LED热学特性实验仪，通过脉冲电流法对常见的大功率白光LED灯珠的结温和器件表面温度进行了测量，深入研究了LED灯在升温和降温过程中温度的变化规律，并给出了结温和表面温度的定量关系。一方面，该工作对工程技术领域中的相关研究有一定的实际意义；另一方面，该课题实验内容能帮助学生理解与PN结和LED相关的物理概念和基本原理，使他们体会到物理与现代工程技术的密切联系，从而激发学生对实验物理的兴趣。

发光二极管；PN结；结温；表面温度；脉冲电流法

发光二极管(Light Emitting Diode, LED)是一种对温度依赖性较强的光源，其结温的变化会引起发光效率的显著变化和发光波长的漂移等现象[1]。特别是，近年来随着LED功率的不断提高, 如何控制大功率LED的结温，对防止因温度过高导致发光效率降低、器件寿命缩短等一系列问题，具有极为重要的现实意义[2,3]。因此，研究大功率LED的热学特性和散热是工程技术研究的热点之一，而如何快速、准确地测量芯片结温则是该研究方向面临的首要问题[4-7]。由于LED芯片尺寸很小且被荧光粉和树脂胶包裹密封，如图1所示，其结温无法直接测量。从容易测量的器件表面温度入手，研究其和结温变化存在的对应关系，继而间接得到结温的变化规律是值得探究的课题。本文利用东南大学物理实验中心设计开发的LED热学特性研究与应用实验仪, 通过脉冲电流法对常见的大功率白光LED灯珠的结温和器件表面温度间关系进行了测量，并分析讨论了其对时间的变化规律。

图1 实验中所使用的LED基本结构示意图

1 实验原理与方法

本实验所使用LED灯珠的功率为1W，工作电压约为3V，额定电流约为300mA。灯珠的基本结构如图1所示，LED芯片核心结构是一个半导体的PN结，所谓LED的结温指的就是PN结的温度TJ。本文需要在准确测量结温的前提下展开对结温和器件表面温度TB关系的研究，因此采用了一种较为新颖准确的脉冲法测量结温，该方法于2008年由美国NIST实验室提出[8]。其核心思想是通过脉冲电流来限制结温TJ的持续上升，使之与器件表面温度TB接近一致。当给待测LED灯通入一个幅值为额定值的脉冲电流时，芯片在通电状态的脉冲内正常发光并升温，在断开状态的脉冲外则关闭并降温。从整体效果来看，只要脉冲占空比足够小，LED的芯片温度能维持和表面温度一致，如图2(a)所示。只要在通电脉冲内同步采样电压值，并借助温控仪就能在脉冲电流下定标出芯片两端的电压—温度曲线。由于在电流一定时，特定PN结的压降仅和结温有关，所以在有了LED的电压—温度曲线后，只需测量正常工作时LED两端的电压就可以得到其实际的结温TJ。芯片散热基板的表面温度则采用贴片式PT1000作为传感器进行测量TB，测量精度优于0.1℃。作者分别在300mA的稳流状态和占空比为1∶1000的脉冲电流状态下测量了LED灯开启10min内的表面温度。如图2(b)所示，在稳流状态下，由于芯片结温的持续上升，热流不断从芯片传递到散热片，引起表面温度的上升；而在脉冲电流状态下，散热片表面温度始终维持在实验时的室温(27.3℃)，说明在仪器测量精度范围内LED结温没有上升，与表面温度保持一致。

2 实验结果与讨论

由于在占空比为1∶1000的脉冲电流(300mA)驱动模式下，LED所处环境温度近似等于结温，我们借助实验仪的温控装置测得从室温到120℃范围内LED结温与两端电压的关系曲线如图3所示。从图中可以看到，在室温到120 ℃之间，结温和压降近似呈线性关系，这与PN结的温度特性相符，可以作为结温测量的定标曲线。

图2 (a) LED在不同占空比的脉冲电流I下结温TJ随时间的变化示意图； (b) 待测LED灯珠在脉冲电流和稳流状态下点亮时，器件表面温度随时间的变化曲线

图3 LED结温与两端电压的关系曲线

图4 LED灯珠在稳流状态下点亮时，器件表面温度、结温和两端电压随时间变化曲线

在室温状态下，利用直流电源开启LED灯珠，并迅速记录10min内的表面温度TB和电压U的变化，再根据前面测量的结温—电压关系曲线便可计算对应的结温TJ，如图4所示。当LED灯正常工作时，其芯片结温会迅速升高并逐渐达到稳定值，两端的压降则相应降低。从图中可以看到，本实验中LED灯在10min后的结温会稳定在约85℃。正常工作状态下，热流不断从芯片流向器件表面，利用Pt1000直接测量的表面温度TB也有类似的变化趋势，但温度相应要低一些，最后会稳定在约75℃。由此可见，LED结温和器件表面温度是两个不同的概念，但变化的趋势有明显的关联性。

为了深入研究结温与表面温度间的关系，作者进一步测量了LED在一个升温和降温循环内的TJ—TB关系曲线，如图5所示。由于在脉冲电流下(占空比1∶1000)，LED芯片的发热量可以忽略不计，因此可用于降温过程中结温的测量。从图上可以看到：在升温时，结温始终大于表面温度；而在降温时，表面温度却会略高于结温。这是由于LED灯的支架和散热片等部件的体积和热容量要比芯片大很多，当芯片自身不再发热时，其温度的下降速度就会大于其他部件，并反过来从外部吸收热量，最终同时达到室温。

图5 LED灯升温与降温过程中结温与表面温度的关系曲线

3 结语

本文通过脉冲电流法对常见的大功率白光LED灯珠的结温和器件表面温度进行了测量，深入研究了LED灯在升温和降温过程中结温的变化规律，并给出了结温和表面温度的关系。该工作对工程技术领域中的LED结温研究具有实际意义。另外，本项目是东南大学物理实验中心开放实验课题之一。这些课题源于基础物理实验课程并与工程技术或日常生活相关联[9,10]，对于低年级本科生或者优秀的高中生来说，难度适中又不乏科学性与趣味性，能有效地培养学生科学的思维方式和实验探索能力。

[1] Hecht J. White-light LEDs promise a bright future for solid-state illumination[J]. Laser Focus World, 2010, 46(11): 33-37.

[2] 余彬海,王垚浩.结温与热阻制约大功率LED发展[J].发光学报,2005,26(6): 761-766. Yu Binhai, Wang Yaohao. Junction temperature and thermal resistance restrict the developing of high-power LED[J]. Chinese Journal of Luminescence, 2005, 26(6): 761-766.(in Chinese)

[3] 钟文姣,魏爱香,招瑜.结温对GaN基白光LED光学特性的影响[J].发光学报,2013,34(9): 1203-1207. Zhong Wenjiao, Wei Aixiang, Zhao Yu. Dependence of GaN-based white LED colorimetric parameters on junction temperature[J]. Chinese Journal of Luminescence, 2013, 34(9): 1203-1207.(in Chinese)

[4] 李慧霞,蔡忆昔,王静,等.线-网电极离子风强化LED散热的试验研究[J]. 电子器件,2016,39(6): 1321-1325. Li Huixia, Cai Yixi, Wang Jing, et al. LED heat dissipation research based on wire-mesh type ionic wind generator[J].Chinese Journal of Electron Devices, 2016, 39(6): 1321-1325.(in Chinese)

[5] 杨晓华,杜寒,陈家熠.基于斯特林机的大功率LED半主动散热研究[J].能源与节能,2016(11): 187-188. Yang Xiaohua, Du Han, Chen Jiayi. Research on the semi-active heat dissipation of LED of high power based on machine Stirling[J]. Energy and Energy Conservation, 2016, 11: 187-188.(in Chinese)

[6] 陈国杰,周有平,张潞英,等.大功率LED温度特性测量仪[J].大学物理,2012,31(2): 30-36. Chen Guojie, Zhou Youping, Zhang Luying, et al. Instrument for measuring temperature characteristic of high power LED[J]. College Physics, 2012, 31(2): 30-36.(in Chinese)

[7] 邱培镇,顾菊观,胡岳.基于照度的非接触式大功率白光LED结温测量[J]. 物理实验,2015,35(6): 32-34. Qiu Peizhen, Gu Juguan, Hu Yue. Non-contact measurement of junction temperature of high power white LED by illumination[J]. Physics Experimentation, 2015, 35(6): 32-34.(in Chinese)

[8] Zong Yuqin, Ohno Yoshi. New practical method for measurement of high-power LEDs[C]. Proc. CIE Expert Symposium on Advances in Photometry and Colorimetry. CIE x033. Turin, Italy, July 7-8, 2008: 102-106.

[9] 陈晓,唐定飘,陈乾,等.密立根油滴实验的探究性数据处理方案[J].大学物理实验,2013,26(2): 88-90. Chen Xiao, Tang Dingpiao, Chen Qian, et al. The exploring data processing scheme of Millikan oil drops[J]. Physical Experiment of College, 2013, 26(2): 88-90.(in Chinese)

[10] 李乐天,关健慧,夏柱红,等.驻波法测声速实验中峰值强弱交替现象的研究[J].物理与工程,2016,26(Z1): 84-87. Li Letian, Guan Jianhui, Xia Zhuhong, et al. Researches in strong-weak alternation of peak values in sound velocity measurement experiment[J]. Physics and Engineering, 2016, 26(Z1): 84-87.(in Chinese)

■

A STUDY ON THE RELATIONSHIP BETWEEN THE JUNCTION TEMPERATURE AND SURFACE TEMPERATURE OF HIGH POWER LED

Zhu Jianyue1,2Li letian1,3Chen Qian1

(1National Demonstration Center for Experimental Physics Education, Southeast University, Nanjing Jiangsu 211189;2High School affiliated to Nanjing Normal University, Jiangning Campus, Nanjing Jiangsu 211102;3Chien-Shiung Wu College, Southeast University, Nanjing Jiangsu 211189)

In this paper, based on the experimental instrument of LED thermal characteristics developed independently by the southeast university, both the junction temperature and surface temperature of the common high-power white LED lamp beads were measured by the pulse current method to determine the quantitative relationship between the junction and surface temperature. This is accomplished by measuring the repeated heating and cooling process as the thermal change is measured over several thermal cycles. On the one hand, this work has certain practical significance to the related research in engineering technology field. On the other hand, the experimental content can help students to understand the physical concepts and basic principles relevant to PN junction and LED, and help them to feel the close relationship between physics and modern practical engineering technology, which stimulates students’ interest in experimental physics.

light-emitting diode(LED); PN junction; junction temperature; surface temperature; pulse current method

2017-01-09

江苏省高等教育学会高校实验室研究委员会资助项目(GS2015YB21); 教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会资助项目(01-201601-35)。

陈乾,男,高级工程师,主要从事物理教学科研工作,研究方向为半导体纳米器件，qc119@seu.edu.cn。

朱简约,李乐天,陈乾. 大功率LED结温与器件表面温度关系的研究[J]. 物理与工程，2017，27(3)：18-21.