Контроль теплового режима кристаллов в светодиодных лампах

Температура кристаллов СД является важнейшей характеристикой, определяющей эксплуатационную надежность светодиодных осветительных устройств [1, 2]. Для достижения высокой долговечности желательно ее снижение, но это влечет за собой увеличение стоимости и массо-габаритных показателей лампы. Поэтому важно найти оптимальное компромиссное решение проблемы.

Температура кристалла определяется не только его свойствами, но и способом крепления и охлаждения в конструкции светодиодной лампы. Любые отклонения в технологии сборки могут привести к катастрофическим отказам. Поэтому обязательной операцией в производстве ламп является 100%-ный контроль качества крепления кристалла по температуре p-n-перехода. Так как количество полупроводниковых источников света в лампе может изменяться в широких пределах (от одного до десятков и сотен штук), массовый контроль этих ламп вызывает большие трудности и требует существенных материальных затрат. В промышленном производстве для контроля температуры найдены устройства, в принцип работы которых положена регистрация прямого падения напряжения на p-n-переходе полупроводникового кристалла [2]. Однако эти устройства малоприменимы для измерения температуры светодиодов в лампах, поскольку все они объединены в одну электрическую схему с чередованием параллельного и последовательного их включения. В этом случае более эффективно использование устройств, измеряющих температуру кристалла путем регистрации теплового инфракрасного излучения [2]. Но их применение затруднено, когда на поверхности кристалла нанесен слой светопреобразующего люминофора или сформирована фокусирующая излучение линза из силикона, так как они не дают информации о температуре самого p-n-перехода.

Поэтому, на наш взгляд, наиболее эффективно для контроля температуры p-n-переходов кристаллов в светодиодных лампах применение устройств, измеряющих ее путем регистрации температурной зависимости спектра рекомбинационного излучения, а именно длины волны излучения и полуширины полосы излучения [3, 4]. При этом для выявления дефектов, возникших при сборке ламп, не требуется измерение температуры, а необходимо зарегистрировать лишь аномальные отклонения в спектре излучения. Как правило, все светодиоды для отдельной партии ламп берутся также из одной партии и по электрическим и оптическим характеристикам практически не отличаются друг от друга. Поэтому для контроля теплового режима светодиодов по спектральным характеристикам необходимо сравнить характеристики светодиода из какой-либо использованной партии, находящегося в «идеальном» тепловом состоянии, со спектральными характеристиками диодов в конструкции лампы. При измерениях теплового сопротивления и температуры полупроводниковых светодиодов оптическими методами проводят, как правило, сравнение спектра излучения в импульсном и непрерывном режиме питания. Но в условиях производства ламп для упрощения процесса контроля можно использовать в качестве спектра сравнения спектр излучения светодиода КИПД154 из текущей партии, размещенного на одиночном тепловом радиаторе с применением теплоотводящей пасты.

Для регистрации спектров излучения кристаллов в лампе мы использовали устройство (рис. 1), содержащее: спектрометрический приемник типа USB2000; оптическое волокно, передающее оптическое излучение от светодиода к USB2000; шаблон с координатными отверстиями для стыковки волокна со светодиодом. Шаблон позволяет устранить перемещение оптического волокна над контролируемыми светодиодами. С целью уменьшения влияния соседних диодов на результаты измерений шаблон изготавливают из непрозрачного и плохо отражающего световое излучение материала, например текстолита. В данной работе мы приводим результаты контроля теплового режима светодиодной лампы производства ОАО «НИИПП». Типовая конструкция лампы (ЛПК-220) представлена на рис. 2 и состоит из алюминиевого корпуса, на котором размещена плата с пятью светодиодами белого света типа КИПД154А в корпусе К2. Внутри полого корпуса расположен драйвер, обеспечивающий стабилизированный рабочий ток в 350 мА при прямом падении напряжения на каждом светодиоде 3,2–3,4 В. Для измерения температуры каждого светодиода из текстолита толщиной 5 мм изготовлен шаблон, в котором выполнены отверстия диаметром 2 мм. Шаблон накладывается на плату лампы сверху таким образом, чтобы световыводящая область СД располагалась непосредственно перед отверстием в шаблоне. При измерении температуры наконечник световода диаметром 2 мм от спектрометрометрического приемника типа USB-2000 поочередно вставляется в отверстия шаблона. Тепловой режим кристалла светодиода определялся по положению основного пика излучения СД и по полуширине спектра при длине волны 460–470 нм [5]. Критериями для определения дефектных светодиодов в лампах в мае-июне 2012 г. являлись увеличение длины волны максимума излучения КИПД154А более чем до 454,5 нм и увеличение ширины спектра излучения на уровне 0,5 от максимального значения более чем до 30 нм.

Рис. 1. Устройство для измерения температуры кристаллов светодиодной лампы (1 — СД на плате; 2 — шаблон с координатными отверстиями; 3 — оптическое волокно с разъемами)

Рис. 2. Конструкция исследуемой светодиодной лампы ЛПК-220

Предложенный метод может быть использован и для определения температуры отдельных светодиодов в лампе. При этом температурный коэффициент уширения спектра излучения в 1,5 раза выше, чем температурный коэффициент смещения максимума. И, соответственно, точность измерения температуры p-n-перехода кристалла по уширению полосы излучения, определяемая, в основном, разрешающей способностью приемника USB2000, существенно выше и достигает величины ±15% (таблица).

Заключение

Проведенные исследования показали, что наиболее перспективным для контроля теплового режима многоэлементных светодиодных ламп является бесконтактный метод, основанный на использовании температурной зависимости максимума спектра излучения и полуширины синей линии излучения кристалла. Метод контроля позволяет выявить как дефекты сборки ламп, так и потенциально ненадежные светодиоды в лампе. Предложенный метод может быть использован также для измерения температуры кристаллов отдельных светодиодов в лампе. Точность измерений возможно повысить при использовании оптоволоконного фотоприемника с большей разрешающей способностью, например AvaSpec-3648.