功大率led結(jié)溫的非接觸測量技術(shù)研究

哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-PAGEII--PAGE1-大功率LED結(jié)溫的非接觸測量技術(shù)研究大功率LED結(jié)溫的非接觸測量技術(shù)研究摘要大功率LED憑借著其優(yōu)良的性能在照明領(lǐng)域中應(yīng)用的越為廣泛，尤其是近年來國家對半導(dǎo)體照明行業(yè)的扶持，使得大功率LED迎來了飛速發(fā)展時(shí)期。于此同時(shí)，市場和社會對于LED功率的需求日漸增大，但伴隨著功率增加其出現(xiàn)的散熱問題也愈加嚴(yán)重，LED產(chǎn)品的性能和壽命受到嚴(yán)峻考驗(yàn)，其電熱特性檢測和LED結(jié)溫測量成為了一個(gè)急需解決的難題。本課題就是以解決大功率LED結(jié)溫的非接觸測量問題入手研究，通過分析和研究大功率LED燈具的電熱特性，了解了大功率LED燈具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和散熱途徑。并針對非接觸式紅外測溫技術(shù)進(jìn)行研究分析，在分析研究已存在的諸多測量大功率LED結(jié)溫的方法，為后續(xù)結(jié)溫測量模型的建立奠定了理論基礎(chǔ)。本文就目前現(xiàn)有測量LED結(jié)溫方案，對于封裝完好的大功率LED燈具不能直接測量其內(nèi)部結(jié)溫，提出了一種基于非接觸的LED結(jié)溫的測量模型。該測結(jié)溫模型主要包含兩部分：LED結(jié)溫與外表面溫度對應(yīng)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述和紅外測溫校正算法。首先，研究分析了不同類型的大功率LED芯片的熱阻、熱輻射和溫度場數(shù)學(xué)模型，并給出了對LED燈具組件溫度場的有限元解法。同時(shí)利用ANSYS對LED進(jìn)行了建模仿真，通過分析其溫度場的變化規(guī)律，給出了LED結(jié)溫與外表面溫度對應(yīng)關(guān)系數(shù)學(xué)描述。其次，分別利用正向電壓法和紅外熱成像法對大功率LED燈珠和大功率集成LED燈具組件進(jìn)行了溫度采集實(shí)驗(yàn)，通過對大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，給出了一種利用紅外熱成像法更為準(zhǔn)確測溫的校正算法。最后，結(jié)合LED結(jié)溫與外表面溫度對應(yīng)關(guān)系的公式和紅外測溫紅外校正算法，構(gòu)成了一種基于非接觸的LED結(jié)溫測量模型。將模型應(yīng)用在1WLED燈珠和100W的葵花型散熱器LED，驗(yàn)證分析該模型的可行性和可靠性。并對測結(jié)溫模型進(jìn)行誤差分析，其誤差率不超過3%，相比于峰值波長法和藍(lán)白比法，適用性更強(qiáng)，精度更高。關(guān)鍵詞LED結(jié)溫；有限元仿真；紅外熱成像法；非接觸測結(jié)溫模型ResearchonNon-contactMeasurementTechnologyofHighPowerLEDJunctionTemperatureAbstractHighpowerLEDisusedmoreandmorebecauseofitsexcellentperformanceinthefieldoflightingmore.Especiallyinrecentyears,thesemiconductorlightingindustryissupportedbythecountry,whichmakesthehighpowerLEDusherinaperiodofrapiddevelopment.Atthesametime,marketandsocialdemandforLEDpowerincreaseswitheachpassingday,buttheheatproblemshavebecomemoreseriouswiththepowerincreases.TheperformanceandservicelifeoftheLEDproductsisfacingtoaseveretest.LEDjunctiontemperaturemeasurementandelectriccharacteristicdetectionbecomeaurgentproblem.Thissubjectistosolvetheproblemofnon-contactmeasurementofhighpowerLEDjunctiontemperature.FinishtheanalysisandresearchontheelectriccharacteristicsofpowerLEDlamps,andunderstandtheinternalstructureandtheheatdissipationwayofhighpowerLEDlamps.Accordingtotheanalysisandresearchofnon-contactinfraredtemperaturemeasurementtechnology,wehavefinishtheanalysisandresearchonmanymethodsofmeasuringthejunctiontemperatureofhighpowerLED,whichhaslaidatheoreticalfoundationforbuildingthesubsequentjunctiontemperaturemeasurementmodel.Inthispaper,thecurrentmeasurementscan’tdirectlymeasuretheinternaljunctiontemperatureofLEDbypackaging.Soweproposeanon-contactmeasurementmodelofLEDjunctiontemperature.Thejunctiontemperaturemodelmainlyincludestwoparts:themathematicaldescriptionoftherelationshipofbetweenLEDjunctiontemperatureandthetemperatureoftheoutersurface,andthecorrectionalgorithmofinfraredtemperaturemeasurement.Fortheestablishmentoftheformer,westudythemathematicalmodelsofhighpowerLEDchips’thermalresistance,thermalradiationandtemperaturefield.AndthenwegiveafiniteelementmethodoftheLEDlamp.Atthesametime,wefinishthemodelingandsimulationforLEDbyANSYS.AndwegivethemathematicaldescriptionoftherelationshipofbetweenLEDjunctiontemperatureandthetemperatureoftheoutersurface.Secondly,wefinishmakingexperimentsofcollectingdatabyforwardvoltagemethodandinfraredthermalimagingtemperature.Throughtheanalysisofalargeamountofexperimentaldata,wegiveamoreaccuratetemperaturemeasurementcorrectionalgorithmbasedoninfraredthermal.Finally,combinedwiththeboth,andtheapplicationof1Wlampand100WsunflowerradiatorLEDverifythefeasibilityandreliabilityofthemodel.Andwegivetheerroranalysisformeasurementjunctiontemperaturemodel.Theerrorrateislessthan3%.Comparedtothepeakwavelengthmethodandtheratiomethodofblueandwhite,ithasastrongerapplicabilityandhigherprecision.KeywordsTheLEDjunctiontemperature;Finiteelementsimulation;Infraredthermography;Modelofnon-contactmeasuringjunctiontemperaturePAGEII--目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1本課題的研究背景和意義 11.1.1本課題研究背景 11.1.2本課題研究的目的和意義 21.2大功率LED結(jié)溫測試技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 31.2.1結(jié)溫測試技術(shù)研究現(xiàn)狀 31.2.2熱輻射測溫技術(shù)研究現(xiàn)狀 41.3本論文的主要內(nèi)容 5第2章大功率LED基本特性以及紅外測溫技術(shù) 72.1大功率LED的電氣特性 72.1.1大功率LED的發(fā)光原理 72.1.2大功率LED光源電氣特性 82.2大功率LED的熱學(xué)特性 92.2.1大功率LED發(fā)熱問題 92.2.2大功率LED結(jié)溫影響因素 102.3熱輻射理論和測溫技術(shù) 122.3.1黑體輻射 122.3.2熱輻射定律 132.3.3全輻射定律 142.3.4紅外熱輻射測溫方法 162.4紅外熱探測技術(shù) 162.4.1紅外熱成像系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理 162.4.2紅外熱像測溫模型 182.5本章小結(jié) 19第3章大功率LED非接觸測結(jié)溫方法設(shè)計(jì)及仿真 203.1非接觸測結(jié)溫方法分析和結(jié)溫測量模型提出 203.1.1非接觸結(jié)溫方法分析 203.1.2測量LED結(jié)溫模型 213.2LED熱阻模型的數(shù)學(xué)描述和溫度場有限元解法 213.2.1LED熱阻模型的數(shù)學(xué)描述 213.2.2集成LED組件的熱輻射數(shù)學(xué)模型 233.2.3建立LED組件溫度場數(shù)學(xué)模型 243.2.4溫度場的有限元解法 253.3LED燈具組件有限元仿真分析 283.3.1仿真假設(shè)條件 283.3.2LED組件仿真初始參數(shù)設(shè)定 283.3.3LED燈珠和集成LED燈具組件建模 293.3.4施加載荷求解溫度場 303.3.5LED燈珠仿真結(jié)果 313.3.6集成LED燈具組件仿真結(jié)果 323.4LED燈具組件結(jié)溫與外表面溫度對應(yīng)關(guān)系數(shù)學(xué)描述 343.5本章小結(jié) 36第4章LED產(chǎn)品測試實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析 374.1LED實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品和方法介紹 374.1.1LED實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品 374.1.2正向電壓法測LED燈珠測試結(jié)溫準(zhǔn)備 374.1.3紅外熱成像法測集成LED結(jié)溫測試準(zhǔn)備 394.2HV-DC1W燈珠和KP-LA100W燈具測量實(shí)驗(yàn)和分析 404.2.1HV-DC1W燈珠結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)采集和處理 404.2.2KP-LA100W陣列式燈具溫場數(shù)據(jù)采集和處理 424.3非接觸結(jié)溫測量模型建立和分析 474.3.1建立非接觸結(jié)溫測量模型 474.3.2模型的可靠性和可行性分析 484.4結(jié)溫測試模型的誤差分析 524.5本章小結(jié) 53結(jié)論 54參考文獻(xiàn) 55-PAGE10--PAGE54-第1章緒論本課題的研究背景和意義本課題研究背景自古以來，人類對于光明的追求一直不曾懈怠。最初，火被人類祖先發(fā)現(xiàn)和使用，使人類得以從一個(gè)生食時(shí)代轉(zhuǎn)變到利用火來獲取溫暖和熟食的時(shí)代，并使得人類能夠在黑暗中尋求光明。直到1879年末，愛迪生發(fā)明了白熾燈，帶來了照明領(lǐng)域的一次革命，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的人造光源[1]，如果僅從照明角度而言，白熾燈的發(fā)明堪稱是人造太陽般的重大突破。之后二十世紀(jì)三十年代末期，熒光燈以及改進(jìn)后的節(jié)能燈的發(fā)明，使得照明領(lǐng)域進(jìn)入以節(jié)能、照度大、光線柔和的時(shí)代[2]。但節(jié)能燈的發(fā)明，卻存在著一個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是節(jié)能燈含有汞，汞是有劇毒的，它會對環(huán)境產(chǎn)生巨大的危害，尤其是在發(fā)展中國家，基本上沒有能夠完成節(jié)能燈的無害處理能力，使得其污染環(huán)境和所接觸到的水資源。鑒于此，隨著科技的發(fā)展，社會的進(jìn)步，能源的消耗加劇以及節(jié)能環(huán)保意識的形成，從而對照明領(lǐng)域提出了更嚴(yán)格的要求。使得具有綠色節(jié)能、高效環(huán)保、壽命長等優(yōu)勢的半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED應(yīng)運(yùn)而生，被視為人類照明史上的第四代革命。LED以其固態(tài)發(fā)光、壽命長、響應(yīng)速度快、驅(qū)動方式靈活以及較高的防震能力等特點(diǎn)，使其在信號燈、指示燈、工礦與家庭照明、LCD背景光源以及裝飾品等諸多領(lǐng)域被廣泛使用[3]。LED作為節(jié)能環(huán)保新一代的照明產(chǎn)品，在能源日漸匱乏的年代，實(shí)際上各個(gè)國家開始鼓勵對綠色技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，陸續(xù)推出了禁止制造和銷售白熾燈泡的時(shí)間表，并以耗電少而價(jià)格相對便宜的LED照明開始走入千家萬戶。2010年大洋洲和歐洲部分國家，如阿根廷、意大利以及澳大利亞等，就率先禁止售賣白熾燈；之后如北美的美國和加拿大與歐盟眾國先后禁止售賣使用白熾燈[4,5]。據(jù)此推測，照明市場由于白熾燈的淘汰會有巨大經(jīng)濟(jì)市場空缺，這將極大的促進(jìn)LED照明產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)，使得LED將迎來一個(gè)新的發(fā)展期，屆時(shí)對于LED開發(fā)與應(yīng)用穩(wěn)步向前推進(jìn)，并帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)利益和社會效益。本課題研究的目的和意義與傳統(tǒng)照明相比，LED照明行業(yè)發(fā)展時(shí)間相對短暫，有巨大的發(fā)展空間，使得LED照明產(chǎn)業(yè)仍處在一個(gè)發(fā)展上升期。但是不可否認(rèn)的是，LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在著諸多制約因素，無論是從LED燈具本身器件，例如光源芯片的光電轉(zhuǎn)化率，驅(qū)動模式設(shè)計(jì)、光學(xué)設(shè)計(jì)以及散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等方面，還是從LED照明產(chǎn)業(yè)相關(guān)的配套產(chǎn)業(yè)[6]，如照明產(chǎn)品缺乏統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)檢方法和標(biāo)準(zhǔn)還不完善，各公司產(chǎn)品不能通用等方面，很多關(guān)鍵問題沒有合適的解決方案，仍非常需要處理，需要解決。本課題所做的研究工作是針對制約LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素—結(jié)溫。總所周知，相比于傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，大功率LED擁有這迥然不同的電熱特性和光電特性。LED是半導(dǎo)體照明的產(chǎn)物，而半導(dǎo)體對溫度的敏感性同樣移植到了LED，使得其開發(fā)和應(yīng)用設(shè)計(jì)都得滿足熱學(xué)指標(biāo)的限定，否則就會對LED使用壽命和可靠性產(chǎn)生重大影響[7]。而LED光源芯片對溫度的極其敏感則體現(xiàn)于結(jié)溫上。LED結(jié)溫就是PN結(jié)的溫度，其形成是由PN結(jié)特性所導(dǎo)致的。當(dāng)LED正常工作時(shí)，將施加正向偏壓于PN結(jié)，作為發(fā)光載體的PN結(jié)中有電子空穴對于芯片有源層發(fā)生帶間躍遷，形成電流，與此同時(shí)通過與光子復(fù)合后形成并發(fā)射出光[8]。LED發(fā)展早期，功率相對而言較小，使得結(jié)溫低則不會影響LED開發(fā)和應(yīng)用。隨著LED技術(shù)不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了功率由小向大，從單顆到集成的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化使得LED得到更得應(yīng)用和認(rèn)可的同時(shí)，導(dǎo)致結(jié)溫大幅度升高，使得其初相可靠性和使用壽命等質(zhì)量問題。導(dǎo)致結(jié)溫上升的因素則有三點(diǎn)：第一，也是最重要的一點(diǎn)，光電轉(zhuǎn)換效率。由于受到材料限制問題，LED的PN結(jié)是不夠理想的，不能把所有的電轉(zhuǎn)化成光發(fā)射出去，在此過程中會有約75%到85%的功率發(fā)生非輻射符合并以晶格震動的形式轉(zhuǎn)化為熱。第二，封裝材料熱阻高。LED作為產(chǎn)品出廠之前得進(jìn)行封裝，其封裝材料包括銀漿、環(huán)氧樹脂、塑料管殼等熱阻較高，阻礙熱量散發(fā)出去，導(dǎo)致LED燈具散熱通道不暢，散熱能力較差，PN結(jié)溫升高。第三，多級電阻串聯(lián)產(chǎn)熱。當(dāng)LED正常工作時(shí)，電流會通過LED兩側(cè)的電極引腳、窗口層、PN結(jié)區(qū)材料以及導(dǎo)電銀膠，以上材料均為串聯(lián)，并有一定的電阻，有焦耳熱產(chǎn)生，使得PN結(jié)溫度上升。第四，輻射光子反射。熱量通過輻射光子的形式散發(fā)出去時(shí)，會通過灌封膠和PC透鏡形成多次的折射和反射，會有部分熱被芯片材料和襯底吸收，溫度升高[9]。因此，基于以上分析，認(rèn)為對大功率LED結(jié)溫非接觸測試方法研究對于整個(gè)照明產(chǎn)業(yè)存在非常重大的實(shí)踐意義。大功率LED結(jié)溫測試技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀自上世紀(jì)由于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，LED應(yīng)運(yùn)而生以來，LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)一直在平穩(wěn)發(fā)展。直到二十世紀(jì)七十年代，藍(lán)光LED被日本日亞化學(xué)的中村修二發(fā)明以來，這一劃時(shí)代的發(fā)明使得LED技術(shù)創(chuàng)造出了白光，成功的進(jìn)入照明領(lǐng)域，LED室內(nèi)照明實(shí)現(xiàn)巨大的能源節(jié)約，在這個(gè)能源消耗日漸嚴(yán)重的時(shí)代，LED節(jié)能照明領(lǐng)域上的成績也使其發(fā)明者拿到2014年諾貝爾獎。但在LED照明產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展時(shí)期，隨著LED功率日漸增大，其電熱特性檢測和散熱問題成為了一個(gè)急需解決的難題。目前國內(nèi)外對大功率LED光電熱特性測試技術(shù)相對成熟，且國內(nèi)有部分專家學(xué)者也將國外優(yōu)秀的測試方法引進(jìn)，并主動參與LED檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定。但總體而言，國內(nèi)對于大功率LED燈具相關(guān)熱學(xué)問題的研究對LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展周期而言還是處于一種初始階段。結(jié)溫測試技術(shù)研究現(xiàn)狀結(jié)溫是LED燈具中一個(gè)最基本的熱學(xué)參數(shù)，結(jié)溫高低將會對LED產(chǎn)品的出光效率、可靠性和使用壽命造成影響。但LED產(chǎn)品，通常是封裝好的，直接測量其PN結(jié)溫度分布非常困難，因此人們通常會通過間接的方法進(jìn)行測量，主要分為接觸式和非接觸式兩大類。其中接觸式測量結(jié)溫方法主要是以電學(xué)參數(shù)的熱阻法、正向電壓法和功率法。熱阻法也稱為管腳法或微電偶接觸測量法，該方法主要是利用熱電偶粘貼在LED燈具的管腳或散熱板上，通過讀取管腳或基板的溫度、LED的功率以及PN結(jié)到管腳或基板的熱阻來測量結(jié)溫[11]。功率法是一種通過獲得LED光輸出功率，然后根據(jù)獲取的功率與結(jié)溫之間存在的關(guān)系來獲取結(jié)溫的方法。由于該方法會受到燈具的散熱能力和光源芯片制備過程影響，因此該方法只能夠作為一種經(jīng)驗(yàn)的估算方法。正向電壓法也稱K值小電流系數(shù)法，是目前最被人認(rèn)可，也是最常用的結(jié)溫測試方法，主要通過測量LED正向施加電壓，然后根據(jù)結(jié)溫和正向電壓之間存在的關(guān)系來獲取LED結(jié)溫[12]。該方法在實(shí)際測量時(shí)，主要分為定標(biāo)測試和直流工作兩個(gè)階段。首先是K值獲取，即定標(biāo)測試階段。將樣本LED燈具放入一恒溫箱中，使得LED燈具處于一種特定溫度的環(huán)境當(dāng)中，達(dá)到平衡時(shí)，PN結(jié)溫與環(huán)境溫度一致。此時(shí)用低于額定工作電流占空比1%的脈沖電流或者1%的小電流接通LED，記錄電壓值。然后改變恒溫箱的溫度，重復(fù)以上操作測量多組溫度與電壓的數(shù)據(jù)。根據(jù)公式（1-1）求的K值。（1-1）然后在正常的工作環(huán)境當(dāng)中，檢測環(huán)境溫度，點(diǎn)亮驅(qū)動LED后，測量初始電壓，當(dāng)點(diǎn)亮LED一段時(shí)間后使得其熱平衡后再次測量正向電壓，再利用之前得到的K值求的結(jié)溫，即公式（1-2）：（1-2）非接觸式光學(xué)參數(shù)的紅外熱成像法、峰值波長檢測法和藍(lán)白比法等。其中藍(lán)白比法主要是是根據(jù)InGaN基藍(lán)光LED芯片發(fā)光與熒光粉發(fā)光隨溫度變化不一致，當(dāng)LED結(jié)溫升高時(shí)，使得藍(lán)光峰值波長向紅光方向移動，同時(shí)也降低了熒光粉轉(zhuǎn)化效率，使得其發(fā)光的減弱比藍(lán)光跟為顯著，根據(jù)這一特性即可求得LED結(jié)溫[13]。而峰值波長檢測法也稱為電致與光致發(fā)光法，主要是根據(jù)半導(dǎo)體材料的電致發(fā)光光譜，當(dāng)LED結(jié)溫升高時(shí)，帶間輻射復(fù)合所引起的LED光譜峰值和溫度存在一定的關(guān)系，進(jìn)而求得結(jié)溫[14]。紅外熱成像法則同樣是利用紅外熱成像設(shè)備對樣本LED燈具散射的紅外輻射能量進(jìn)行采集，并通過設(shè)備內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)加以處理，并呈現(xiàn)在顯示系統(tǒng)中。根據(jù)史蒂芬-玻爾茲曼定律中溫度與紅外輻射能量之間的關(guān)系，從而確定樣本LED的溫度。但是非接觸式光學(xué)參數(shù)法都是針對未封裝LED芯片，才能測的結(jié)溫，使其具有一定的局限性。熱輻射測溫技術(shù)研究現(xiàn)狀1800年，德國科學(xué)家霍胥爾利用三棱鏡將太陽光分解開，發(fā)現(xiàn)了紅光外側(cè)溫度上升很快，從而發(fā)現(xiàn)了紅外線，也稱紅外熱輻射。隱絲式光學(xué)高溫計(jì)出現(xiàn)于19世紀(jì)，但是由于存在較大的誤差，使其大受限制。直到20世紀(jì)六十年代光電高溫計(jì)出現(xiàn)，利用光電轉(zhuǎn)換器件或光電倍增管轉(zhuǎn)換器件，極大的降低了人為誤差，并且具備自動化的應(yīng)用條件。七十年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展，半導(dǎo)體熱輻射探測技術(shù)出現(xiàn)，主要是利用半導(dǎo)體材料硅制作成的光電探測器，大幅度提高了光電探測器的靈敏性和穩(wěn)定性，這就是光電精密測溫技術(shù)[15]。熱輻射測溫技術(shù)的物理基礎(chǔ)是自然界中一切高于絕對零度的物體都會向外發(fā)出紅外輻射，并且該輻射與溫度存在一定的關(guān)系。而普朗克定律、維恩位移定律和史蒂芬-玻爾茲曼定律為輻射和溫度的關(guān)系給出了全面的詮釋，但存在一個(gè)前提，測試樣本是理想的黑體。顯然這是不合理的，這就導(dǎo)致通過測量輻射值來確定溫度會存在很大的偏差[16]。不同發(fā)射率的物體可能會被檢測到相同的輻射值，使得其測量存在很大的不確定性，進(jìn)而引入顏色溫度、亮度溫度和輻射溫度的概念，使得黑體輻射定律能夠應(yīng)用于實(shí)際的溫度測量。每一種材質(zhì)的發(fā)射率都不同，由于它與其表面狀態(tài)、形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成成分等等均有關(guān)系，所以發(fā)射率很難被測量[17]。因此實(shí)際測量中，只能根據(jù)材料來估算發(fā)射率，這也導(dǎo)致了目前紅外熱輻射測量溫度的準(zhǔn)確性不夠精確。發(fā)射率的問題一直是制約輻射測溫技術(shù)精確測量的重要因素，而測溫系統(tǒng)的標(biāo)定則是其另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。標(biāo)定的準(zhǔn)確與否，直接會影響到實(shí)際的溫度測量，使得其測量范圍和精度大大降低。因此，熱輻射測溫技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中還存在這很多的技術(shù)問題需要解決，而穩(wěn)定性好、精度搞的標(biāo)定熱源和方法是輻射測溫技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題。本論文的主要內(nèi)容隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，社會對大功率和高集成化的要求愈演愈烈，而隨著大功率和小型化發(fā)展的同時(shí)，對于LED燈具的散熱問題變得尤為重要。本論文則針對大功率LED燈具的結(jié)溫測試技術(shù)和紅外輻射測溫技術(shù)進(jìn)行技術(shù)研究和探討，分析其電熱特性和整體的散熱設(shè)計(jì)，并利用ANSYS進(jìn)行有限元仿真，提出一種基于紅外熱成像測封裝LED結(jié)溫的方法，為LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。本文將從三個(gè)方面進(jìn)行研究分析：1．對大功率LED電熱特性和紅外測溫技術(shù)進(jìn)行研究首先，對單顆LED和陣列式集成LED進(jìn)行電熱特性分析，并對結(jié)溫測試技術(shù)進(jìn)行研究和探討，對下文的結(jié)溫的實(shí)際測試實(shí)驗(yàn)打下理論基礎(chǔ)。2．大功率LED結(jié)溫進(jìn)行實(shí)際測試通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過采用正向方法和紅外熱成像法對大功率LED進(jìn)行實(shí)際測量，獲取所需的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)分析處理，分析其影響精度因素以及熱場分布，提出一種更為精確的非接觸測量溫度的方法。3．進(jìn)行熱阻模型分析并熱學(xué)模擬仿真通過對大功率LED熱阻模型分析，研究封裝完好LED的內(nèi)部布局。分析研究LED工作狀態(tài)下的溫度場分布，利用ANSYS模擬仿真，獲取結(jié)溫與封裝表面的對應(yīng)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，進(jìn)而得到利用紅外熱成像法測LED結(jié)溫的測溫模型，并通過實(shí)際測量校驗(yàn)和優(yōu)化。第2章大功率LED基本特性以及紅外測溫技術(shù)本章主要分析和探討了大功率LED的電學(xué)特性和熱學(xué)特性，指出其存在的一些問題，同時(shí)也介紹了紅外測溫理論以及在LED結(jié)溫測量方面的應(yīng)用。大功率LED的電氣特性大功率LED的發(fā)光原理LED（light

emitting

diode）就是發(fā)光二極管，顯而易見其具有二極管的特性，該電子器件具有將電能轉(zhuǎn)化為光能的能力[18]。主要包括作為電致發(fā)光的半導(dǎo)體模塊的PN結(jié)芯片，以環(huán)氧樹脂為封裝的光學(xué)系統(tǒng)和作為針腳的正負(fù)電極三部分組成。LED發(fā)光主要是PN結(jié)芯片的正常工作的結(jié)果，其LED芯片結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1LED芯片結(jié)構(gòu)圖Fig.2-1LEDchipstructurediagramLED具有二極管特性，因此只能施加正向偏置電壓才能使其正常工作，當(dāng)LED處于正常工作時(shí)，在正向電壓的作用下，PN結(jié)區(qū)實(shí)現(xiàn)了電子的轉(zhuǎn)移，并由N區(qū)轉(zhuǎn)向P區(qū)，當(dāng)非平衡多數(shù)載流子與少數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就會以輻射光子的形式將多余的能量轉(zhuǎn)化為光能[19]。而LED發(fā)出光的顏色不同，主要是輻射光子的能量不同。由于電子空穴之間所具有的能帶間隙不同，使得其輻射光子時(shí)帶的能量不一樣，如紅色光和橙色光具有的能量相對小，而紫光和藍(lán)光具有能量就相對大。所以就能夠?qū)崿F(xiàn)通過調(diào)整電流，使得PN結(jié)區(qū)的能帶間隙和結(jié)構(gòu)改變，從而輻射光子所帶的能量變化，LED將會發(fā)出不同顏色的光，這就是LED的發(fā)光原理[20,21]。大功率LED光源電氣特性由于LED功能和應(yīng)該用場所的不同，其具體的結(jié)構(gòu)，制備的工藝和所用的材料都有所有不同，使得LED在外部表現(xiàn)形式與普通的半導(dǎo)體二極管區(qū)分開來，例如貼片式、直插式以及集成LED等等。并且LED芯片的結(jié)構(gòu)由于要求出光不同要求，也有正裝和倒裝結(jié)構(gòu)的區(qū)分[22]。根據(jù)一般半導(dǎo)體二極管的基本特性來理解LED的電氣特性，不過LED相比于一般二極管，其開啟電壓和導(dǎo)通電壓更大，通常在3V上下。LED電氣特性主要體現(xiàn)在LED電流與電壓之間的關(guān)系，也就是伏安特性。LED的伏安特性如圖2-2所示。圖2-2LED伏安特性Fig.2-2LEDvoltamperecharatersticLED伏安特性主要是描述通過PN結(jié)的電流與LED正負(fù)兩極電壓所存在的關(guān)系。如圖可知，類似于普通二極管的伏安特性，施加反向電壓時(shí)為高電阻，施加正向電壓時(shí)電阻很低。顯然其符合作為二極管發(fā)明人之一的威廉·肖克萊曾提出的肖克萊方程，該方程用來描述二極管的電流電壓關(guān)系，如公式（2-1）所示：（2-1）其中涉及到的特性參數(shù)包括：—LED的正向電流、—反向偏置電流、—正向偏置電壓、—反向偏置電壓。而肖克萊方程中的是LED的熱電壓，通常是問下大概在26mV左右[23]。大功率LED的熱學(xué)特性大功率LED發(fā)熱問題前面提到LED的發(fā)光機(jī)理，是電子空穴對復(fù)合時(shí)以輻射光子的形式將能量轉(zhuǎn)化為光發(fā)射出去，但仍有一部分復(fù)合會以聲子的形式將能量轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)出去。同時(shí)LED發(fā)熱還包括湯姆遜熱、焦耳熱以及封裝材料對輻射光子的吸收發(fā)熱等等[24]，都是導(dǎo)致LED發(fā)熱的重要來源。1.復(fù)合發(fā)熱，是指電子電子空穴復(fù)合時(shí)通過聲子的形式將能量轉(zhuǎn)化成熱能，主要分為深能級復(fù)合和俄歇復(fù)合，復(fù)合發(fā)射描述表達(dá)式如公式（2-2）所示：（2-2）和分別是指電子和空穴，為復(fù)合發(fā)射，為復(fù)合率，其大小為俄歇復(fù)合、深能級復(fù)合和自發(fā)復(fù)合三種復(fù)合率相加，為準(zhǔn)費(fèi)米能級。并且該過程能夠冷卻高于費(fèi)米能級的電子，高能電子會發(fā)生躍遷占據(jù)復(fù)合后的空穴，同時(shí)伴有發(fā)熱，公式如（2-3）所示：（2-3）其中為電子的溫度，其中為單位電荷，為熱電勢。2.湯姆遜熱，是指在有溫度梯度的介質(zhì)中，載流子流動時(shí)把能量傳遞給晶格的過程中產(chǎn)生的熱量，其表達(dá)式為公式（2-4）所示（2-4）其中為湯姆遜熱，和為載流子密度，為電流密度。3.焦耳熱，是指電子在流動過程中，會有大量聲子將能量轉(zhuǎn)化的熱量。該熱量會升高晶格的溫度，假設(shè)晶格和電子的溫度相等，均用表示，則其表達(dá)式如公式（2-5）所示：（2-5）式中，為焦耳熱，代表材料的遷移率。4.封裝材料對輻射光子的吸收發(fā)熱，是指封裝材料能夠吸收部分PN結(jié)中輻射出的光子中的能量，從而發(fā)熱。但吸收的程度取決于光子能量，若光子能量很高，會激發(fā)孔子空穴對，產(chǎn)生帶間吸收，但不發(fā)熱。若光子能量低，則會直接或間接被晶格吸收，使得晶格溫度升高，其表達(dá)式如公式（2-6）所示：（2-6）式中，封裝材料對輻射光子的吸收發(fā)熱，是吸收系數(shù)，光子能量，是光子流密度。大功率LED結(jié)溫影響因素LED作為一種特殊的二極管，對溫度敏感性是很強(qiáng)的。其溫度特性主要體現(xiàn)在熱阻和結(jié)溫兩方面。結(jié)溫即PN結(jié)的溫度，熱阻就是阻礙熱量在熱流路徑上傳遞的能力。一個(gè)完整的LED燈具其熱特性體現(xiàn)，就是光電轉(zhuǎn)換的不完全性引起的PN結(jié)溫度升高，與PN結(jié)周圍其他結(jié)構(gòu)的材料熱阻所耦合作用的結(jié)果。LED的結(jié)溫是眾多影響因素影響下的結(jié)果。在產(chǎn)熱方面主要包括LED光電轉(zhuǎn)化效率、工作電流、光輸出量、光通量等等。其中LED光電轉(zhuǎn)換效率由于受到材料和當(dāng)前技術(shù)的影響，加之電源的變換效率和光學(xué)系統(tǒng)的損耗，使得LED在由點(diǎn)轉(zhuǎn)換成光方面會存在巨大的能量損失，且絕大部分能量損失均轉(zhuǎn)化成熱量。其次就是LED工作狀態(tài)下一些電和光學(xué)系統(tǒng)方面的影響，如圖2-3所示，左側(cè)為LED電流與結(jié)溫的關(guān)系曲線，右側(cè)為紅白藍(lán)三種顏色LED光的光輸出量與結(jié)溫的關(guān)系曲線。從2-3左側(cè)圖當(dāng)中可以看出，如果不改變偏置電壓，PN結(jié)溫度會升高，并且升到一定程度后電流會慢慢減弱，從而使得發(fā)光亮度也會逐漸變暗。而在右側(cè)圖中可以看出，結(jié)溫的升高會使得光輸出量降低，并且其光輸出量降低速率依次為紅光、白光、藍(lán)光，會使得LED發(fā)光變暗[25]。對于結(jié)溫的升高，LED的光通量同樣會表現(xiàn)出降低，其與結(jié)溫的關(guān)系如公式(2-7)所示：(2-7)其中涉及到的參數(shù)為結(jié)溫、溫度系數(shù)、和時(shí)刻的光通量和，當(dāng)結(jié)溫較小時(shí)，光通量收到的影響也會很小，是能夠通過其他方式彌補(bǔ)。但是當(dāng)結(jié)溫達(dá)到一定程度，就是對LED光通量造成巨大的影響，與此同時(shí)也會使得功率損耗加劇，大大的降低LED的使用壽命。圖2-3LED結(jié)溫與電流和光輸出量的關(guān)系曲線Fig.2-3TherelationshipcurvesofLED’sjunctiontemperatureandcurrentandlightoutput熱阻就是結(jié)溫在散熱方面的影響因素，所謂熱阻就是對熱傳遞的阻礙程度。在LED散熱過程中，熱傳導(dǎo)和熱對流占據(jù)主要的形式，但是仍有一部分熱量以熱輻射的形式散發(fā)出去。熱傳導(dǎo)，是指接觸物體或物體內(nèi)部直接存在溫度梯度是發(fā)生的能量傳遞的過程，是介質(zhì)內(nèi)無宏觀運(yùn)動時(shí)的傳熱現(xiàn)象[26]，如LED芯片到鋁或銅底座的熱傳遞過程就是這種傳熱方式，其遵循Fourier定律：(2-8)其中為熱流密度（W/），負(fù)號代表熱量流向溫度降低的方向，為導(dǎo)熱系數(shù)(W/)，為沿向的溫度梯度。熱對流是指物體與周圍介質(zhì)之間發(fā)生的熱量交換，如LED散熱器與周圍空氣之間發(fā)生的熱量傳遞過程。但是與熱傳導(dǎo)不同的是，熱對流有兩種形式。一類是強(qiáng)制對流，如LED中添加風(fēng)扇或水泵來使流體加速運(yùn)動；另一類是自然對流，完全依賴自然中流體密度的差異來完成流體運(yùn)動的[27]。其傳遞過程用牛頓冷卻方程來描述：（2-9）其中，為熱對流系數(shù)，和分別為固體與周圍流體的溫度。LED結(jié)溫在熱傳遞過程中，影響其散熱能力的具體表現(xiàn)主要有LED器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局、封裝材料、外部散熱器形狀和結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)所使用的材料、環(huán)境溫度等等。當(dāng)然一個(gè)LED燈具的散熱效果與散熱器的選用息息相關(guān)，市面中常見的散熱器多種多樣，如擁有主動散熱能力的加裝風(fēng)扇、熱管等結(jié)構(gòu)，以及被動散熱的翅片、多孔洞結(jié)構(gòu)等，其目的都是為了增加散熱器與空氣的接觸面積和空氣的流動速度，使得散熱器和空氣之間的傳熱系數(shù)更大，從而擁有更好的散熱能力。當(dāng)然外部環(huán)境溫度也會對散熱方面有很大影響，顯然外部環(huán)境越高，散熱越難，反之散熱越容易。熱輻射理論和測溫技術(shù)黑體輻射黑體輻射定律，是德國物理學(xué)家普朗克于1900年所創(chuàng)的黑體輻射定律，所以又稱普朗克定律，假定存在一種物體，能夠?qū)⑺胁ㄩL的輻射能量都吸收，并且不存在透過和反射，該物體命名為黑體，且其表面發(fā)射率為1。顯然，自然界中沒有這種物體，只是人類臆測出來的一種理想化的輻射體[29]。在任意溫度T下，黑體發(fā)出的電磁輻射的輻射率與頻率之間的關(guān)系如公式（2-10）所示：（2-10）其中是輻射率，是頻率，為普朗克長度，為光速，為熱力學(xué)溫度，為玻爾茲曼常數(shù)，當(dāng)=2.82時(shí)，輻射頻率最大。若用波長代替頻率，則關(guān)系公式為：（2-11）假定，，則公式（2-11）可推導(dǎo)出黑體光譜輻射度與波長（）、熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系式：（2-12）式中，是第一輻射常數(shù)，大小為，是第二輻射常數(shù)，大小為。如此就可以直觀的看出黑體輻射度與溫度的關(guān)系[30]。黑體輻射定律揭示了物體輻射的規(guī)律，是輻射理想化的存在體，但在實(shí)際熱輻射規(guī)律中還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能應(yīng)用與實(shí)際，所以此后的科學(xué)家陸續(xù)發(fā)表了一些列理論來研究和分析熱輻射規(guī)律，如維恩位移定律、Stefan-Boltzmann定律、朗伯余弦定律等。熱輻射定律物體輻射能量主要有光輻射和熱輻射兩種方式。光輻射是物體溫度在500℃以上才會出現(xiàn)可見光的光輻射，通常在較低的溫度下，物體會發(fā)出紅外光，也就是紅外輻射。其主要就是以波長區(qū)分的，電磁波的波普分布圖如圖2-4所示：圖2-4電磁波譜Fig2-4Electromagneticspectrum從圖2-4中可以看出，紅外波段長波與微波相鄰，短波與可見光相接。又因?yàn)椴ǘ卧谠搮^(qū)域內(nèi)的電磁輻射有熱輻射能量，因此又稱為這一波段為熱輻射區(qū)，其紅外波段的波長為0.75μm-1000μm。紅外波長與溫度的關(guān)系如表2-1所示：表2-1紅外波長與溫度的關(guān)系Table2-1Relationbetweentemperatureandinfraredwavelength溫度/℃波段峰值波長范圍/μm3540~693近紅外0-75~3693~210中紅外3~6210~-80遠(yuǎn)紅外6~15-80~-270極遠(yuǎn)紅外15~1000根據(jù)頻譜的分布，也就是根據(jù)紅外輻射波長與溫度的一一對應(yīng)關(guān)系，才可以通過來測量和分析物體的熱輻射能量，來確定溫度的大小，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)對物體溫度的非接觸測量，這就是紅外熱輻射測量技術(shù)[31]。朗伯余弦體是指輻射源各方向上輻射亮度不變，輻射強(qiáng)度隨觀察方向與面源法線之間的夾角θ的變化遵守余弦規(guī)律。在熱輻射當(dāng)中考察物質(zhì)的熱輻射強(qiáng)度時(shí)，其求解就遵循朗伯余弦體，結(jié)合上節(jié)當(dāng)中介紹了普朗克定律中光譜輻射度與波長和溫度之間的關(guān)系式（2-12），可得出公式（2-13）：（2-13）而韋恩位移定律描述了隨著輻射中的物體的溫度變化，輻射能量的峰值光譜會發(fā)生偏移。公式（2-14）揭示了絕對溫度與波長的乘積是一常數(shù)。=2898（μm）（2-14）由公式（2-14）可知，維恩位移定律揭示了輻射體溫度和波長參數(shù)的關(guān)系，輻射峰值波長會隨著物體溫度變化而向反方向變化，即溫度升高，波長變小，反之亦然，因此在使用紅外熱成像法等非接觸測量方法測量大功率LED結(jié)溫和熱阻時(shí)，韋恩位移定律無疑會影響到測量的精度[32]。黑體輻射的光譜分布如圖2-5所示：圖2-5黑體輻射的光譜分布Fig2-5Thespectraldistributionofblack-bodyradiation全輻射定律全輻射定律，是在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)的建立的一個(gè)輻射與溫度的模型。該模型是先后由史蒂芬提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持和玻爾茲曼提供的熱力學(xué)理論分析，才能順利建立并推導(dǎo)出來的，因此全輻射定律又稱史蒂芬-玻爾茲曼定律，描述關(guān)系式為：(2-15)其中是黑體的總輻射度，為波長，為絕對溫度，為史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，大小約為，從公式中可以看出還是黑體為假設(shè)的前提下[33]。但是史蒂芬-玻爾茲曼定律在應(yīng)用時(shí)，切記是在全輻射的含義，也就是包括物體所有方向的輻射能量，并且其范圍是整個(gè)頻譜。 當(dāng)將史蒂芬-玻爾茲曼應(yīng)用到實(shí)際中時(shí)，出現(xiàn)在人們面前的問題是，在已知的任何物體中，沒有一樣是絕對黑體。發(fā)射率是指灰體的全輻射與同等情況下黑體全輻射能量的比值，并用公式表達(dá)如公式（2-16）所示：（2-16）其中為灰體的發(fā)射率，，分別為灰體和黑體的全輻射度。表2-2常用物體發(fā)射率Table2-2Emissivityofcommonobjects物質(zhì)溫度（℃/℉）發(fā)射率鋁（98.3%純度的板塊）227/4400.04577/10700.06金（高純）227/4400.02鋁（氧化599℃）199/3900.11599/11100.19銅199/3900.18599/11100.19水--0.95玻璃(光滑)22/720.94錫(亮的鍍錫的鐵片)25/770.04鎳絲187/3680.1塑料（白色）--0.91橡膠--0.95每個(gè)灰體在沒有任何變化的前提下，其發(fā)射率是固定的。但若因?yàn)槠渌蛩馗淖兞似鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)或表面性狀，其發(fā)射率也是會隨之改變。并且每種材料其擁有的發(fā)射率也是不同，常見材料的發(fā)射率如表2-2所示。紅外熱輻射測溫方法紅外熱輻射測溫方法通過前面介紹的黑體輻射定律、維恩位移定律、朗伯余弦定律和史蒂芬-玻爾茲曼定律推導(dǎo)并應(yīng)用而來。氣宗黑體輻射定律揭示了輻射度與波長和溫度之間的關(guān)系，維恩位移定律能夠增加紅外熱輻射測溫的精度，朗伯余弦定律則給出了其輻射強(qiáng)度隨觀察方向與面源法線之間的夾角θ的變化規(guī)律，而史蒂芬-玻爾茲曼則揭示了一個(gè)物體的全輻射度。因此紅外熱輻射測溫方法就是通過測量某一光譜波長的熱輻射數(shù)據(jù)，就能夠根據(jù)維恩位移定律確定測試樣本的輻射波長，并根據(jù)史蒂芬-玻爾茲曼和發(fā)射率就能夠得到測試物體的溫度。其灰體溫度表達(dá)式如公式（2-17）所示：(2-17)該公式顯示出灰體的熱輻射度與物體的發(fā)射率和溫度有關(guān)，且與絕對溫度四次方成正比例關(guān)系，這也是目前應(yīng)用較多的全輻射測溫理論和紅外熱輻射測溫方法。紅外熱探測技術(shù)紅外熱成像系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理目前最常用的是紅外熱成像系統(tǒng)是應(yīng)用焦平面技術(shù)的非平面熱成像系統(tǒng)，其主要分為制冷型和非制冷型兩種。圖2-6紅外熱成像系統(tǒng)示意圖Fig.2-6SketchMapoftheInfraredThermalImagingSystem紅外熱成像系統(tǒng)根據(jù)分為主要包括光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、信號處理系統(tǒng)和顯示記錄系統(tǒng)構(gòu)成，此外部分紅外熱成像系統(tǒng)還包括制冷系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等[34]。系統(tǒng)的功能就是將紅外輻射不可見性變?yōu)榭梢姷膱D像。紅外熱成像系統(tǒng)能夠根據(jù)存在差異的熱對比度，來區(qū)分照射區(qū)域內(nèi)紅外輻射能量密度，并在圖像中顯示。其組成示意圖如圖2-6所示。系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，需要紅外接收系統(tǒng)（光學(xué)系統(tǒng)），去收集來自目標(biāo)的紅外輻射，并將收集到的紅外輻射輸送給紅外探測器；而紅外探測器根據(jù)接收到的紅外輻射強(qiáng)度的不同，轉(zhuǎn)化為對應(yīng)強(qiáng)弱的電信號；而信號處理系統(tǒng)則將轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)化處理，消除背景噪音；最后傳送給圖像記錄系統(tǒng)，記錄并以圖像的形式在顯示器中顯示出來[35]。圖2-7紅外探測器的分類Fig2-7Classificationofinfrareddetectors紅外熱像測溫模型紅外熱成像法測量溫度不是直接測的，而是通過紅外熱成像系統(tǒng)接收目標(biāo)的熱輻射數(shù)據(jù)，并對輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理才得到的。但實(shí)際測量中，會受到目標(biāo)發(fā)射率、周圍環(huán)境溫度和輻射、大氣衰減以及系統(tǒng)內(nèi)部的輻射等很多因素的影響，使得測量溫度數(shù)據(jù)是不精確的，存在誤差。圖2-8為熱輻射原理圖：圖2-8熱輻射原理圖Fig.2-8HeatRadiationPrincipleDiagram其中，為大氣透射率，為目標(biāo)的發(fā)射率，為環(huán)境溫度，為大氣溫度，為目標(biāo)溫度，為被測目標(biāo)的環(huán)境反射輻射能，為大氣輻射能，為目標(biāo)的輻射能。紅外熱成像系統(tǒng)顯示的圖像只是目標(biāo)輻射溫度的定性描述，若想獲得目標(biāo)的絕對溫度，則必須對熱成像系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。標(biāo)定方法包括擬合曲線法和查找表法。其中擬合曲線法是將標(biāo)定得到的數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行擬合，從而得到灰度與溫度對應(yīng)關(guān)系的擬合曲線，而查找表法是提前將之前的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存，當(dāng)實(shí)際測量溫度時(shí)，將修正曲線表調(diào)出直接查找即可[36]。系統(tǒng)的顯示器中的紅外圖像的偽彩色值與溫度有一一對應(yīng)的關(guān)系，應(yīng)滿足關(guān)系如公式（2-18）所示：（2-18）其中，為紅外熱像的熱值，為圖像的偽彩色值，為熱成像系統(tǒng)的熱范圍，為熱成像系統(tǒng)的熱范圍。根據(jù)絕對溫度與圖像熱值的關(guān)系如公式（2-19），計(jì)算出紅外圖像各點(diǎn)的溫度。（2-19）式中為實(shí)際熱值，為目標(biāo)發(fā)射率，為透射率。則被測目標(biāo)的測量溫度為：（2-20）其中對于紅外輻射這種短波，=1，、為熱成像系統(tǒng)標(biāo)定曲線常數(shù)。本章小結(jié)本章詳細(xì)的對大功率LED的發(fā)光原理和電氣特性進(jìn)行了介紹，討論分析了大功率LED的伏安特性曲線；指出了LED發(fā)熱的四個(gè)發(fā)熱源以及溫度對LED嚴(yán)重影響，分析研究了結(jié)溫的影響因素。之后對熱輻射理論和測溫技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，分析了輻射度與溫度存在的對應(yīng)關(guān)系；介紹了紅外熱成像系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，并提出了紅外熱像測溫模型，為本文非接觸測量大功率LED結(jié)溫打下理論基礎(chǔ)。 第3章大功率LED非接觸測結(jié)溫方法設(shè)計(jì)及仿真非接觸測結(jié)溫方法分析和結(jié)溫測量模型提出在第一章節(jié)中，我們簡單介紹了LED測結(jié)溫的方法主要有接觸法和非接觸法兩種形式。由于接觸法要求接觸到被測LED引腳，故在很多場合不再適用；而非接觸測溫方法不需要直接接觸LED模組，主要有峰值波長法、藍(lán)白比法以及紅外熱成像法等。非接觸結(jié)溫方法分析峰值波長法是利用LED發(fā)光機(jī)理中載流子帶間復(fù)合時(shí)，輻射峰值波長與禁帶寬度成反比[38]，即：（3-1） 當(dāng)LED結(jié)溫升高時(shí)，變小，則變長，顏色紅移，這樣就能夠用于測量結(jié)溫。LED結(jié)溫計(jì)算公式如公式（3-2）所示：（3-2）其中為峰值波長隨結(jié)溫的變化系數(shù)，為參考結(jié)溫溫度。對于的測量，只需要測量恒定電流下不同溫度下的峰值波長，并通過公式（3-3）計(jì)算得到：（3-3） 但峰值波長法測量結(jié)溫有一個(gè)顯著的問題就是，對設(shè)備精度要求極高，同時(shí)也是最重要的問題是，并不是所有的LED的值的變化是線性的，例如GaN基的藍(lán)光LED，當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，其峰值波長會先減小后增大，使得該方法并不適用[39]。 藍(lán)白比法是根據(jù)藍(lán)光芯片和熒光粉對溫度的依賴關(guān)系不同，針對藍(lán)光激發(fā)熒光粉的白光LED，分析其光譜特性能夠發(fā)現(xiàn)熒光粉在激發(fā)后的溫度特性。藍(lán)白比法就是運(yùn)用白光LED的藍(lán)光發(fā)光與熒光粉發(fā)光隨結(jié)溫變化的不同來獲取結(jié)溫[40]。實(shí)驗(yàn)表明，同一由藍(lán)光激發(fā)的白光LED器件的與結(jié)溫具有較好的線性關(guān)系。由于藍(lán)白比法涉及到對器件的光譜分析和測量，且僅適用于InGaN基的藍(lán)光芯片激發(fā)熒光粉的白光LED，而對于單色LED和三基色RGB混合白色LED不適用，因此使得此法在實(shí)際使用中受到很大的限制。 采用紅外熱成像法進(jìn)行結(jié)溫和熱阻的測量也可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，但要求無遮擋物才能進(jìn)行對目標(biāo)物的數(shù)據(jù)采集。而對于封裝完整的LED產(chǎn)品，無法做到芯片裸露，只能測得燈具外表面的溫度，去推斷LED芯片的溫度，其誤差率極大，使得紅外熱成像測量結(jié)溫存在著嚴(yán)重的問題。與此同時(shí)，紅外技術(shù)發(fā)展迅速，分辨率大大提高，是一種極為不錯的測試手段。因此用紅外探測技術(shù)測量LED結(jié)溫存在的難題，仍需要我們進(jìn)行研究和克服。測量LED結(jié)溫模型針對目前非接觸測LED結(jié)溫缺點(diǎn)和不足，本文提出一種基于紅外熱成像法能夠非破壞測得LED結(jié)溫的測量結(jié)溫模型。由于紅外熱成像法存在不能直接測量完好封裝LED燈具的內(nèi)部結(jié)溫，測量結(jié)溫模型引入有限元法。該測溫模型主要由兩部分組成：有限元仿真和紅外熱成像測量。其中有限元仿真是利用ANSYS有限元法熱仿真進(jìn)行分析研究，建立LED燈具模型，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定好邊界條件，求解穩(wěn)態(tài)熱分析，得到燈具的溫度場分布，從而得到LED芯片與燈具外表面的溫度對應(yīng)關(guān)系。紅外熱成像測量是利用紅外熱成像設(shè)備測得正常工作狀態(tài)下的LED燈具外表面的溫度場數(shù)據(jù)，再根據(jù)有限元仿真得到的結(jié)溫與外表面溫度對應(yīng)關(guān)系，得到LED結(jié)溫。LED熱阻模型的數(shù)學(xué)描述和溫度場有限元解法在ANSYS有限元熱仿真之前，要對大功率LED熱阻模型進(jìn)行分析和數(shù)學(xué)描述，并通過有限元法建立LED溫度場數(shù)學(xué)模型，以及求解LED模型溫度場，為后續(xù)仿真奠定基礎(chǔ)。LED熱阻模型的數(shù)學(xué)描述我們知道LED熱阻受到很多因素的影響，如結(jié)構(gòu)、材料以及環(huán)境等。對LED熱阻分析可分為對單獨(dú)芯片單熱源熱阻和多芯片多熱源熱阻網(wǎng)絡(luò)模型分別進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。(1)單芯片熱阻的分析通過大功率LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)和散熱途徑的分析，采用熱電模擬方法來大功率LED的穩(wěn)態(tài)下的熱阻分析。當(dāng)LED達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡時(shí)，其恒定的功耗相當(dāng)于一個(gè)恒定的熱源。單芯片的熱阻模型如圖3-1所示：圖3-1單芯片的熱阻模型Fig3-1Thethermalresistancemodelofsinglechip根據(jù)熱電模擬法進(jìn)行分析，該熱阻網(wǎng)絡(luò)模型相當(dāng)于一電路。恒流源為LED的功率，電壓差為散熱途徑中的溫度差。則從圖3-1中可得計(jì)算如下： (3-4) (3-5) (3-6)式中，、、分別是系統(tǒng)環(huán)境、熱沉基板和外部散熱熱沉的溫度，為功率，能夠從規(guī)格書尋到。(2)多芯片熱阻的分析對于大功率LED照明產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，多芯片形式應(yīng)用范圍更廣。通過多芯片按照不同的網(wǎng)絡(luò)連接形成更大功率的LED光源。其具體分為兩種方式，一類是通過集成技術(shù)，將多個(gè)芯片置于同一基板上構(gòu)成集成光源；另一類是在板級設(shè)計(jì)中進(jìn)行組合光源設(shè)計(jì)的分布式光源[41]。但不管是哪種結(jié)構(gòu)形式，均可以按照多芯片類型進(jìn)行分析研究。該類型的結(jié)構(gòu)形式的表現(xiàn)形式是存在多個(gè)熱源，且不同熱源的散熱途徑是相似的，但具體路徑卻不完全一致。假定集成LED光源選用芯片相同，且串聯(lián)連接，其熱阻模型如圖3-2所示：圖3-2集成LED的熱阻模型Fig.3-2ThethermalresistancemodelofintegratedLED集成光源所用芯片相同，芯片到線路板的總熱阻計(jì)算如公式(3-7)：(3-7)同理金屬線路板到散熱器的總熱阻RSB可由式(3-8)表示：(3-8)因此，整個(gè)系統(tǒng)的熱阻可以表示為式(3-9)：(3-9)其中，總是個(gè)芯片共同消耗的功率之和。集成LED組件的熱輻射數(shù)學(xué)模型與LED燈珠不同的是，大功率集成LED燈具光源芯片被透鏡半包，且中間各有空氣，故對透鏡而言其溫度的傳遞不只包括熱傳導(dǎo)和熱對流，還有來自于光源芯片的熱輻射。將集成光源芯片簡化成一個(gè)熱源，其熱源形狀為面單元。則兩者間的熱輻射模型即可簡化為兩個(gè)面的熱輻射。在此，對其熱輻射進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。由于光源為灰體，當(dāng)光源溫度為，其發(fā)射率為（<1），有公式（3-10）得到：（3-10），分別為灰體和黑體的輻射強(qiáng)度[42]。則兩面的熱輻射的熱量根據(jù)史蒂芬玻爾茲曼法則可得到：（3-11）式中為史蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，、分別為光源和透鏡的溫度，而為兩個(gè)輻射面的角系數(shù)，大小由公式（3-12）計(jì)算得到：（3-12）式中、分別為光源和透鏡的熱輻射面積，、分別為和的法矢量，為i和j的距離，、分別為和與的夾角[43]。 因此，在對集成LED和葵花型散熱器組件進(jìn)行有限元熱分析時(shí)，要加入熱輻射量的仿真分析。建立LED組件溫度場數(shù)學(xué)模型在大功率LED額定功率照明過程中，從其芯片到外表面之間存在著較大的溫度梯度。為了使得計(jì)算更加準(zhǔn)確，我們采用三維非線性穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程對溫度場進(jìn)行數(shù)學(xué)描述?？紤]到穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)中系統(tǒng)熱量流入和流出是平衡的（3-13）其只存在熱量在不同組件模型中傳遞，故三維非線性穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)控制微分方程（3-14）為：（3-14）式中，將LED芯片作為熱源，記熱源強(qiáng)度為。其中（3-15）引入Laplace算子，如公式（3-16）用張量表示公式（3-14）。（3-16）式中，、、分別為系統(tǒng)動能、內(nèi)能、勢能，為溫度，為LED芯片功率生熱強(qiáng)度，、、分別代表材料的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，，，為媒介傳導(dǎo)速度。而LED燈具組件表面的載荷為熱輻射和熱對流，如公式（3-17）所示：（3-17）式中，是組件表面的外法向，是熱對流系數(shù)，是環(huán)境溫度，是熱輻射系數(shù)。溫度場的有限元解法在ANSYS有限元熱仿真中，對于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的三維非線性控制方程，可用加權(quán)余值法求解。公式（3-14）的里茲-伽遼金法公式如公式3-18：（3-18）式中，為單元體積；為對流換熱系數(shù)；為空氣的溫度；為溫度的虛變量；為熱通量的施加面積；為對流的施加面積；為單位體積的熱生成。將區(qū)域分解劃分單元，不同維度模型劃分體單元和面單元均可不同[44]。為了更為清楚的觀察LED燈具組件的溫度場情況，從燈具組件模型中間分開取其一半進(jìn)行求解。劃分求解域單元，即將其離散成為有限個(gè)單元。其每個(gè)單元溫度用公式（3-19）表示：（3-19）式中，為單元形函數(shù)；為單元節(jié)點(diǎn)溫度矢量。則根據(jù)公式（3-15）就能夠計(jì)算出單元的熱流和溫度梯度：（3-20）式中為熱梯度矢量；。熱流量由以下公式計(jì)算：（3-21）式中，為熱單元的熱傳導(dǎo)屬性矩陣。 將溫度邊界變化引入公式3-18：（3-22）將上式進(jìn)行分步積分，寫出矩陣形式為：（3-23）式中：將有限個(gè)單元集成，總方程的矩陣形式如下：（3-24）式中：，為熱容矩陣；，為熱傳導(dǎo)矩陣；，為單元節(jié)點(diǎn)熱流率。且為單元總數(shù)，為節(jié)點(diǎn)熱流率。 在以上熱分析中，不同類型的熱載荷對熱傳導(dǎo)方程的貢獻(xiàn)不同。熱流載荷只施加在公式（3-24）的右側(cè)，而熱對流和熱輻射載荷卻對公式（3-24）的兩側(cè)均有貢獻(xiàn)，其貢獻(xiàn)項(xiàng)為右側(cè)的項(xiàng)和左側(cè)的項(xiàng)。說明施加的熱對流載荷中熱對流換熱系數(shù)改變時(shí)，公式（3-24）的系數(shù)矩陣也隨之改變，意味著熱對流系數(shù)的出現(xiàn)使得公式（3-24）是一個(gè)非線性的微分方程組，并使用迭代法求解[45]。因此在本文中使用ANSYS有限元熱分析當(dāng)中，考慮到實(shí)際情況復(fù)雜多變是非線性的，因此在考慮到仿真結(jié)果盡可能的與實(shí)際情況相符，其LED燈具組件中溫度場的分布與光源芯片材料和散熱器材料特性、與空氣之間傳熱的對流換熱系數(shù)以及熱輻射等邊界條件的設(shè)定存在必然聯(lián)系。LED燈具組件有限元仿真分析前文已經(jīng)對ANSYS有限元仿真熱分析做出了分析研究，本小節(jié)將根據(jù)實(shí)際情況，對單芯片和多芯片LED燈具進(jìn)行熱場溫度仿真。仿真假設(shè)條件在對LED燈具仿真中，需要對單芯片LED和多芯片LED的封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度梯度進(jìn)行觀察分析，并對LED燈具封裝內(nèi)部的芯片溫度和外表面的溫度場模擬仿真的結(jié)果進(jìn)行分析比較。仿真要盡可能的貼近實(shí)際情況，但實(shí)際情況相對比較復(fù)雜，因此很多不必要的計(jì)算需要進(jìn)行簡化處理，所以在仿真之前要對ANSYS仿真設(shè)計(jì)的初始設(shè)置時(shí)，要做出以下假設(shè)：(1)假設(shè)LED封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的不同材料或同種材料之間的接觸面，均按照完美接觸處理，通俗來講就是LED芯片、導(dǎo)熱銀漿、襯底、灌封膠、熱沉以及外部散熱器材料的各個(gè)接觸面不存在空氣間隙，只需考慮以上各個(gè)部件傳熱系數(shù)即可；(2)假設(shè)光源芯片的電熱轉(zhuǎn)化率為80%。由于目前技術(shù)的限制，市面上常見的LED光源芯片的光電轉(zhuǎn)換率很低，大概為15%-25%左右，因此假設(shè)由電轉(zhuǎn)化成熱的效率為80%；(3)假設(shè)集成芯片整體為一個(gè)熱源。由于集成芯片功率高、體積小，對于一個(gè)LED燈具外部溫度場而言，其多芯片分布或者是統(tǒng)一熱源受到影響很?。?4)假設(shè)LED芯片的整個(gè)外延層均為發(fā)熱層。由于相對于整個(gè)系統(tǒng)模型而言，LED芯片有源層相對要薄，熱量擴(kuò)散快，且只有芯片溫度及其分布會對計(jì)算有影響；LED組件仿真初始參數(shù)設(shè)定本文所做的仿真完全需按照實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬仿真，對于燈具的選擇也與實(shí)驗(yàn)室LED燈具實(shí)物相對應(yīng)，無論是其外部幾何形狀還是內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)以及物理參數(shù)上均是符合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)樣本，盡可能的使得仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，并作為后期模型完善設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。通過前文對LED封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，以及對相關(guān)文獻(xiàn)的研讀，根據(jù)選用的LED芯片的品牌來更好的確定其結(jié)構(gòu)材料和散熱結(jié)構(gòu)，并對其各種材料的特定參數(shù)進(jìn)行分析，針對不同功率以及不同散熱結(jié)構(gòu)布局和尺寸來進(jìn)行不同的參數(shù)設(shè)定。因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)室具體情況，設(shè)定環(huán)境溫度為20℃，實(shí)驗(yàn)室空氣流通較差設(shè)定對流換熱系數(shù)為8.5W/m2·℃，而燈具的熱源產(chǎn)生的熱量和熱流率則根據(jù)LED燈具的功率以及熱源體積大小來確定。如表3-1所示，單顆1W的LED燈珠置于六角散熱器的參數(shù)設(shè)定。 表3-1LED燈珠參數(shù)Table3-1LEDlampparameters組件尺寸（mm）材料熱導(dǎo)率（W/m·℃）芯片1*1*0.1InGaN/GaN190灌封膠+熒光膠R=1.6硅膠樹脂1.2PC透鏡R=3.2聚碳酸酯0.16熱沉和引腳R1=1.5h=1R2=1.6h=0.3R3=3h=1.8Cu386塑料封裝外形R=4h=3塑料0.22錫膏R=4h=0.1Sn63/Pb3755六角散熱器類似邊長l=10Al6061173銀膠1.2*1.2*0.05樹脂2.5LED燈珠和集成LED燈具組件建模有限元模擬仿真第一步即需為仿真對象進(jìn)行建模。(1)仿真對象整個(gè)LED照明系統(tǒng)就是由很多個(gè)功能不同的電熱磁組件組裝搭建構(gòu)成的，所以如果對整個(gè)系統(tǒng)組件都進(jìn)行仿真建模分析的話，會使得計(jì)算極端復(fù)雜，并會耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源。而且各個(gè)組件之間材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不相同，于此同時(shí)某些組件對LED燈具的結(jié)溫影響很小，因此考慮到更針對性的研究分析LED燈具的熱場情況，重點(diǎn)分析研究LED系統(tǒng)的熱源LED芯片和封裝，所以本仿真建模的主體對象只選擇LED芯片及其封裝組件和鋁合金散熱器。(2)建模實(shí)體。本文仿真實(shí)體對象包括單芯片LED燈具和多芯片LED燈具兩種。其中單芯片LED燈具選擇1W的LED燈珠，散熱器選擇六角型鋁制散熱器，其建模參數(shù)如表3-1所示。對于多芯片LED燈具則選用集成LED燈具，其光源芯片整體作為一個(gè)熱源，考慮到芯片材料的導(dǎo)熱系數(shù)則同燈珠芯片一致，其散熱器選擇太陽花型散熱器。其仿真模型如圖3-3所示圖3-3LED仿真模型Fig3-3simulationmodelofLED(3)定義屬性。建模完成之后，即可以對仿真模型進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定。與此同時(shí)，還需將根據(jù)LED實(shí)體燈具中內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料的不同，定義各個(gè)仿真模塊單元類型，本次仿真模型為三維模型，即單元類型可定義為兩種：三維的面單元和三維的體單元。然后再根據(jù)單元類型的不同逐一對其進(jìn)行材料屬性的設(shè)置，這里主要是指材料的熱性能參數(shù)，如比熱容、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)以及史蒂芬玻爾茲曼常數(shù)等等。施加載荷求解溫度場模型建立定義屬性完成之后，則會對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分越密集則誤差越小，但與此同時(shí)計(jì)算量的急速增加將導(dǎo)致大量的時(shí)間浪費(fèi)，因此綜合考慮對于LED燈珠模型的劃分網(wǎng)格尺寸為0.1mm，而集成LED燈具模型網(wǎng)格尺寸定義為0.3mm。施加載荷即對模型進(jìn)行各類邊界條件的設(shè)定。熱分析邊界條件將LED燈具芯片作為熱源即根據(jù)功率、電熱轉(zhuǎn)化效率和熱源的燈具芯片的尺寸計(jì)算得到。本次試驗(yàn)對LED芯片施加的熱載荷為生熱率。而燈具的外表面和散熱器均有很多個(gè)面與空氣接觸，將會與空氣發(fā)生對流換熱，即施加熱載荷為對流，并設(shè)定對流系數(shù)和空氣的溫度。載荷施加完成之后即需要用求解器對模型、單元屬性以及邊界條件進(jìn)行統(tǒng)一整合分析計(jì)算。由于測量LED結(jié)溫，則采用穩(wěn)態(tài)熱分析即可。由于集成LED燈具模型散熱器的面比較多，采用迭代法求解計(jì)算將會極大程度上節(jié)省系統(tǒng)資源。LED燈珠仿真結(jié)果通過對仿真模型的單元類型的定義、網(wǎng)格