航空照明功率型LED结温测量方法研究及极低温失效机理分析

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.28MB 52 页 15积分

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摘要

LED 是一种半导体发光器件，其发光原理与以往的各种光源有很大的不同。

作为第四代新型光源，LED 的出现标志着照明光源的发展进入了一个崭新的阶段，

同时也开辟了人类照明历的新篇章。现阶段，随着 LED 的芯片生长技术以及 LED

制作加工工艺的不断提高，功率型 LED 已经被越来越多的应用于各种照明领域。

同样，LED 以其可靠性高、寿命长、功耗小、便于进行光学设计等各方面的优势，

被应用于航空照明领域。但是，功率型 LED 在航空照明领域的发展同样存在一定

的瓶颈，即功率型 LED 的散热问题。当 LED 的结温变化时，LED 的发光各参数

会发生较大的变化。而航空照明领域对光源的颜色以及光强等各方面要求非常高。

因此，高效的灯具散热设计是将 LED 的结温控制在合理范围内的重要手段，也是

功率型 LED 能否广泛应用于航空照明领域的重要因素。在进行灯具散热设计之前

我们必须通过一种快速、精确的方法获得功率型 LED 工作时的结温。

本论文就功率型 LED 的热学问题而展开，文章所做的主要工作如下：

1. 介绍了 LED 的发展历史和优点以及发光原理，分析了 LED 热学问题产生的

根源。同时还详细阐述了 LED 的几个热学以及电学物理量，并且详细分析了结温

对LED 各种发光参数的影响。

2.总结了几种常见的测量 LED 结温的方法。着重研究了正向压降法测量 LED

结温中的小电流 K系数法。在研究过程中，首先根据半导体理论介绍并推导了实

验的原理；然后根据实验原理以及测量标准，挑选合理、精确的实验仪器以及实

验要用到的 LED 样品，并用这些仪器搭建实验平台；最后，将 LED 样品放入实验

平台进行测量实验，并对测量实验结果进行分析，从而论证小电流 K系数法测量

LED 结温的可行性及精确性。

3.考虑到飞机在高空飞行中会处于一种极低温的状态，本论文还探索了 LED

在极低温的环境下是否会出现失效。在研究的过程中，选用了液氮低温箱来模拟

飞机所处的极低温环境，并对大量的 LED 样品进行多次试验，观察试验的过程中

LED 样品是否会出现失效。如果出现失效，对失效的 LED 样品进行失效机理分析。

关键词：航空照明功率型 LED 结温正向压降小电流 K系数失效

极低温

ABSTRACT

LED is a semiconductor light emitting device, its luminous principle is different

from varieties of light sources before. As the fourth generation light source, LED marks

the development of lighting has entered a new phase, also opened a new chapter of

human’s lighting. Nowadays, with the continuous development of LED chip production

technology and LED production process, power LED has been increasingly used in a

variety of lighting area. Similarly, LED with various advantages such as high reliability,

long life, low power consumption, easy to carry out optical design, was also widely

used in the field of aviation lighting. However, the thermal problem is also a bottle-neck

which baffles LED’s application in aviation lighting. It is known that when the LED

junction temperature changes, the LED luminous parameters also change a lot.

Therefore, to improve the thermal design of aviation lamps is an important way to

control LED junction temperature within a reasonable range. It is also a vital factor that

whether the power LED could be widely used in the field of aviation lighting. Before

thermal design, we must use a fast and accurate method to obtain the power LED

junction temperature when it is working.

The thesis is based on power LED thermal problem and it includes mainly:

1. We introduce the history of the development of LED and luminous principle of

LED. We analyse the root of LED thermal problem. Also we elaborate on the LED

thermal and electrical quantities, and detailed analyse the influence of LED junction

temperature on LED various luminescence parameters.

2. We summarize some normally method of LED junction temperature measuring.

We focus on the little current K-factor method of measuring LED junction temperature.

In the course of the research, we introduce and derive the principle of the experiment

based on the theory of semiconductor. According to the standard of measuring LED

junction temperature, we select experimental apparatus and LED samples. Then LED

samples were tested in the experimental apparatus. Finally, with the analysis of the

experimental data, we prove the little current K-factor method of measuring LED

junction temperature is reasonable.

3. Taking into account the status of an extremely low temperature when aircraft

flying at high altitude, we also explored if there will be failure of LED in an extremely

low temperature environment. In the course of the research, we choice a liquid nitrogen

tank to simulate the extremely low temperature environment which the aircraft will in.

Then a large number of selected LED samples were tested to explore whether the failure

of LED will appear. If there is failure, the analysis of LED samples’ failure mechanism

will be carried out.

Key words: Aviation lighting, Power LED, Junction temperature

Forward voltage, Little K-factor Failure, Extremely low temperature

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

§1.1 LED 的发展历史 .............................................. 1

§1.2 LED 的优点 .................................................. 3

§1.3 课题研究意义和研究内容 ...................................... 4

第二章 LED 热学参数和热特性分析 .................................... 6

§2.1 LED 的发光原理 .............................................. 6

§2.2 LED 的热学参数 .............................................. 7

§2.2.1 结温 .................................................... 7

§2.2.2 热阻 .................................................... 8

§2.2.3 电压温度系数 ............................................ 9

§2.3 结温对 LED 主要参数的影响 .................................... 9

§2.3.1 结温对 LED 正向电压的影响 ................................ 9

§2.3.2 结温对 LED 光通量的影响 ................................. 10

§2.3.3 结温对 LED 发光效率的影响 ............................... 10

§2.3.4 结温对 LED 发光波长的影响 ............................... 11

§2.3.5 结温对 LED 寿命的影响 ................................... 11

第三章航空照明标准及 LED 在航空照明的应用 ......................... 13

§3.1 航空颜色及其标准 ........................................... 13

§3.2 几种常见的航空灯具的介绍与技术标准 ......................... 14

§3.2.1 航行灯及标准 ........................................... 14

§3.2.2 着陆灯及其标准 ......................................... 16

§3.2.3 防撞灯（组）及其标准 ................................... 16

§3.2.4 进场迎角灯 ............................................. 18

§3.3 LED 结温对航空灯具的影响 ................................... 18

§3.4 功率型 LED 在航空领域的应用 ................................. 19

第四章 LED 结温的测试 ............................................. 20

§4.1 红外成像法 ................................................. 20

§4.2 光谱法 ..................................................... 20

§4.3 蓝白比法 ................................................... 20

§4.4 正向压降法 ................................................. 21

§4.4.1 正向压降法测量原理 ..................................... 21

§4.4.2 小电流 K系数法 ......................................... 25

§4.4.2.1 测量仪器 ............................................ 25

§4.4.2.2 测量方法与步骤 ...................................... 28

§4.4.2.3 测量数据及分析 ...................................... 30

第五章 LED 极低温试验及失效机理分析 ............................... 32

§5.1 LED 失效模式 ............................................... 32

§5.1.1 芯片失效 ............................................... 32

§5.1.2 封装失效 ............................................... 32

§5.1.3 热过应力失效 ........................................... 33

§5.1.4 电过应力失效 ........................................... 33

§5.2 LED 极低温试验 ............................................. 34

§5.2.1 试验器材及步骤 ......................................... 34

§5.2.2 试验数据及分析 ......................................... 35

第六章总结与展望 ................................................. 43

§6.1 全文总结 ................................................... 43

§6.2 研究展望 ................................................... 43

参考文献 ........................................................... 45

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 48

致谢 ............................................................. 49

第一章绪论

LED 半导体发光被称作“第四代光源”。“第一代光源”是篝火，不仅用于照

明，还可以用于做饭、制作陶瓷、杀菌、科学分析等方面；同样“第二代光源”

白炽灯，以及“第三代光源”荧光灯等光源的许多功能已经被充分的利用，如被

用于照明、指示、装饰景观等。作为“第四代光源”之一的 LED，其用途可以说

是无穷的。

§1.1 LED 的发展历史

1907 年，首次发现当作砂纸研磨剂的碳化硅晶体（SiC）通电后可以发光的现

象。该放光现象与火光、放电光、黑体辐射不同，是一种固体物质通电后发光的

新形态。直至 1950 年，人们大都在对 SiC，Ⅱ-Ⅳ族化合物半导体矿物质发光现象

进行研究[1]。20 世纪 50 年代以后，随着半导体知识的不断增加，以及人工制作发

光结构技术的不断提高，人们开始尝试利用半导体晶体的发光现象。1952 年人工

合成的 Ge、Si 晶体的 pn 结发光，促成了人工合成 GaP 晶体发光的诞生[2]。

1954 年从研究 GaAs 晶体生长开始，针对 GaAs 衬底的气相外延生长法

（Vapor-Phase Epitaxy，VPE）和液相外延生长法（Liquid-Phase Epitaxy，LPE）进

行了大量的研究。1962 年，有关 GaAs 红外 LED 和红外激光二极管（Laser Diode，

LD）的研究报告被发表，并在世界上首次销售 GaAs 系列红外 LED（发光波长

870nm，价格 130 美元）。随后在 GaAs 中掺入微量的 Si 后，发现仅改变发生波长

温度就可以出优良的 pn 结晶体，由此产生了外部量子效率高达 6%、质量很高的

GaAs 系红外 LED。

有关 GaAs 中加入 Al 的三元混晶系的 AlGaAs 系LED，当初把与 Al 亲和力较

高的氧气混合到晶体中，虽发生过不发光的问题，但自 1968 年AlGaAs 外延膜生

长法成功后，便实现 AlGaAs/GaAs 系的高效红外 LED。该系列的 LED 正在被广

泛用于控制电器的遥控装置。

1962 年，首次实现了可见光 LED，它是通过 GaAs 衬底生成 GaAsP 外延膜而

实现。最初 GaAsP 系红光 LED 的售价高达 260 美元，在 1968-1970 年间每隔数月

销售数量便翻倍，创下了惊人的销售记录。当时，大多用于计算器、手表显示器

光源，因此各公司竞相采用。

1963 年，初次实现了 GaP 的pn 结红光 LED。不同于直接迁移型的 GaAs、GaP

是间接型半导体，发出的光亮度比预想要高，这在当时是个迷。1965 年，经研究

发现：由于 GaP 中添加 N，Zn-O 等杂质后，在杂质离子的附近电子和空穴很容易

聚集，从而导致发光效率高的解释，这结论一经发表就受到了广泛的支持。1968

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摘要：

摘要LED是一种半导体发光器件，其发光原理与以往的各种光源有很大的不同。作为第四代新型光源，LED的出现标志着照明光源的发展进入了一个崭新的阶段，同时也开辟了人类照明历的新篇章。现阶段，随着LED的芯片生长技术以及LED制作加工工艺的不断提高，功率型LED已经被越来越多的应用于各种照明领域。同样，LED以其可靠性高、寿命长、功耗小、便于进行光学设计等各方面的优势，被应用于航空照明领域。但是，功率型LED在航空照明领域的发展同样存在一定的瓶颈，即功率型LED的散热问题。当LED的结温变化时，LED的发光各参数会发生较大的变化。而航空照明领域对光源的颜色以及光强等各方面要求非常高。因此，高效的灯具...

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