大功率白光LED阵列结温光谱检测技术的研究

发布时间：2019-07-21 16:24

【摘要】：大功率白光LED作为一种新型固态照明光源，具有节能、环保、体积小、抗震动、瞬时启动等诸多优点，但其PN结结温的升高导致其发光效率和使用寿命迅速降低，因而阻碍了它在照明领域的迅速发展及应用。特别对于数十至数百个LED串并联结构的LED成型产品，其显著特点是功耗大、热量集中、结点温度高，LED产品内各芯片的工作结温成为影响LED产品可靠性和使用寿命的关键因素。因此，准确测量LED产品内各芯片的结温具有重要的实际意义。本文主要研究适用于大功率白光LED阵列的光谱法结温检测技术，主要从光谱法结温检测技术和LED阵列结温光谱检测系统的研制两个方面开展研究，具体的工作包括以下几个方面：（1）对适用于单颗大功率白光LED结温测试的多种光谱特征量随结温变化的规律进行了研究，从普遍适用性的角度分析得出在多种光谱特征量中峰值波长偏移更适用于对不同厂家的大功率白光LED进行结温检测。（2）对峰值波长偏移法适用于LED结温检测提出了两个前提假设，并对此进行了分析验证，仿真分析和实验证实两个前提假设均成立。且实验表明，选择合适的脉冲宽度，可以降低LED在相同结温、脉冲电流驱动与恒流驱动下的发光光谱峰值波长之间的差异，以减小结温测试误差。（3）使用峰值波长偏移法对大功率白光LED在不同环境温度、恒定电流驱动下的结温进行测试，测试得到峰值波长偏移法结温检测误差保持在±4℃以内；然后对不同幅值恒流驱动下的结温进行了重复性测试，实验表明，峰值波长偏移在重复性测试方面也有良好的表现。（4）对大功率白光LED分布式阵列中相互之间的光谱串扰使用LightTools软件进行了仿真建模分析，分析得出，在光纤入射端添加光阑可以有效阻挡杂散光进入光纤，以降低光谱串扰。在光纤入射端添加光阑后使用峰值波长偏移法对处于LED分布式阵列中心的LED芯片结温进行了测试，其测试结果准确、可信。（5）对定标和测试过程中，光纤与LED中心法线所成夹角产生变化对峰值波长测试结果的影响进行了分析，使用光源影像式角度测试系统SIG-400对LED发光中心与光纤在不同角度下的发光光谱进行了测试，测试结果表明，LED发光中心与光纤所成角度的变化对峰值波长特征值的影响较大，因此，在定标和测试两个检测过程中，LED发光中心与光纤所成角度应该保持不变。（6）以平像场凹面光栅作为核心分光元件，基于多路光谱采集技术研制了小型化LED阵列结温光谱检测系统样机，实现了对多路输入的光信号进行同时、独立分光探测。（7）完成了对大功率白光LED阵列结温检测系统光路的校正，校正结果表明，六路入射光纤在CCD上所成的光谱信息可以良好区分，即该系统可以同时检测多路入射光的光谱信息。然后对该系统进行了波长定标、CCD响应率定标，并对样机的多项技术指标进行了测试。（8）利用系统样机对六颗LED以峰值波长偏移法进行了结温测试，测试结果可以良好展现出LED发光光谱随着结温的升高出现红移，光谱峰值波长随着结温的升高逐渐变长，并且结温测试误差保持在±6℃以内。
【图文】：
GaN基芯片发光激发YAG荧光粉得到的白光光谱图

韩国政府也斥资5亿美元实施“GaN半导体发光计“国家半导体照明工程”，并于2009年推出了“十城万盏”工程，目前，全国共有上海、西安等21个城市和北京、宝确认为第一批、第二批“十城万盏”示范城市。大功率白发展趋势，已经越来越被广泛的应用于室内照明、道路照明以及广场照明等各种照明领域，有着非常广阔的发展前白光 LED 的实现方式现大功率白光LED的制作方案有很多种，以LED为基板实现条途径[28]：一种是在InGaN/GaN单量子阱蓝光芯片上涂敷钇铝石榴石（net，YAG）荧光粉，芯片发出的蓝光激发荧光粉后产生典型光，黄绿光再与蓝光光合成白光[29-31]，，光谱如图1-1所示[32单，成本较低且效率较高，因此目前白光LED生产厂家主要光LED。
LED光通量在不同结温下随时间下降曲线

大功率白光 LED 阵列结温光谱检测技术的研究疲劳甚至脱落损坏，造成 LED 的永久性损坏。显然工作温度越高，这种过程将越快。因此，当大功率白光LED的功耗增加、散热条件恶化或者环境温度升高时，LED的PN结结温也会升高，而PN结结温升高会导致LED发光效率和使用寿命迅速降低[49][50]，如图1-2所示，某LED长期工作在高结温时，其光通量迅速降低[51-53]。一旦光通量下降至初始值的70%之后，或者色温变化大，超过额定标准，则该光源的有效使用寿命终止，这段时间称为LED的寿命[54-56]。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海技术物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM923.34

【参考文献】