第一章电压法测量结温 - 照明论坛-LED论坛-照明家族

关于 PN 结温度的测量，以往在半导体器件应用端测算结温的大多是采用热阻法，但这种方法对LED 器件是有局限性的，并且以往很多情况下被错误地应用。应用热阻法的错误之处，以及其局限性，本人已在文献【1】中有详细阐述。本人认为应该摒弃热阻法。

现在出现了不少新的测结温的方法，但其中一些方法也许并不能很好地反映结温。比如红外成像法，理论上讲这只是测量器件表面或芯片表面的温度，不可能测量到实际 PN 结处的温度。光谱法则只是个别专业测试机构能够进行，仪器昂贵，不适于器件使用者日常工作。

实际上，无论从专业测量，还是业余测量，最简便易行、最准确的、最基础的，还是电压法测算结温。热阻法其实是在电压法基础上衍生而来的。由于现在测量显示精度达 1mV 的仪表很便宜，器件使用者完全没有必要采用热阻法来测算结温。

本文介绍的电压法测算结温的方法，是从一般工程应用的角度来讲。主要是为一般的器件厂商和器件使用者提供自己测试的方法。因此所述的方法中，使用的一些仪器不能与专业的仪器设备比较，但精度和准确性不用担心。这方面只要你懂得了物理原理就明白了。关键还是看具体的操作者对测试机构的设计和仪表的选择，以及操作中的精心程度。

本文虽然主要针对 LED 方面来讲，但也可以扩展到其它半导体器件的结温测量方面。因为 LED的 PN 结和其它半导体器件的 PN 结，在原理上是相同的。

从公式（1）可以看到，对于一个成品的器件，电压与温度有关，且是线性关系。除去电流参数外，再有的其它参数都是常数。所以，当固定某个电流值后（即电流也为常数），电压就只与温度呈线性关系。

由此，我们就可以通过测量电压来推算结温。并且可以将公式（1）的物理计算转化为纯数学计算。即电压与结温的数值关系可以用一个线性方程式来表达。只要得到这条直线的斜率，通过测量某个已知结温下的电压和热稳态下的电压，就可以得到该热稳定温度下的结温。

从公式（1）可以看到，对于成品器件，公式中有三个变量：电压、电流和温度。在讲公式（2）时，我们设了个前提条件，即电流是固定的某个值。似乎K 系数与电流值有关。但是通过对实际产品的测试发现，不同电流下的K 系数值或曲线是相同的。这是个很关键的问题。正是有这样的结果，我们在测算结温时就可以方便了。K 系数与电流无关的现象，将在第二节中阐述。

根据电压与温度的线性关系，在某个电流值下，只要测试 PN 结在任意两个温度点对应的电压，就可以根据公式（2）计算出斜率 K 值了。这就是测量、计算 K 系数的基本原理。

虽然理论上理想 PN 结的电压与温度是线性关系，但那是理论上的理想 PN 结的情况。实际情况并非如此！实际测得 LED 器件的电压温度关系不一定是很好的线性。这并不是测试误差造成的，因为不同时间测试同一器件得到的结果是一样的。根据本人对一些 LED 的测试结果及文献【3】的报告和欧司朗的产品规格书，LED 的电压温度系数并不一定都是很好的线性关系。这需视具体产品而定。本人测试了几款不同封装、不同功率 LED 的电压温度系数，参见图 1。

在图 1 中，黑点表示实测数据点，黑色曲线是拟合曲线，红色虚线是首尾相连的、用于参考的直线。可以看到，多数 K 曲线是有些弯月形向下弯曲，大约在 70～80 度之间会出现拐点。拐点前后可以各自近似为直线。这两条近似的直线斜率相差往往还是很明显的。当然也有一些 LED 的 K 曲线几乎是直线型的。如图 1 中最上面的两条 K 线。

图 2 是 OSRAM 一款 3535 型封装 LED 的电压温度曲线。可以看到，也不是很好的直线，同样是向下弯曲的曲线。图中红色虚线为本人所加的参考直线。同样，在这条曲线上，在 20℃～120℃范围内，也可以 80℃为界，分别得到两段符合较好的直线。

关于 K 系数曲线随温度升高发生弯曲、电压减小趋势变缓的现象，在文献【3】、【4】中有所谈及。本人的观点是：由于 PN 结在合理的外电压范围内势垒区不可能完全消失（所谓合理的外加电压范围，是指外加电压不应该过而高导致器件烧毁），但外加正向电压超过一定值、或温度升高，势垒区变窄的速度变缓，即结电压下降趋势变缓；再有内阻随温度升高而变大导致其上电压增大，两者相消，因而 VF 随温度升高而减小的趋势变缓。封装体电阻及芯片上有关电极金属等的电阻影响在温度较低时影响较小。当温度高于某个值时，这些电阻的影响有所增大，从而导致电压减小趋势更加减缓。对于超过 70～80℃曲线变缓，不仅与寄生电阻有关，还与芯片尺寸、封装结构等因素有关。

比如一款额定电流 60mA 的 2835 型白光 LED，在 20mA 和 60mA 测试时结果基本相同，并不受电流大小的影响。即寄生电阻在电流作用下产生的热量没有影响。可以参看图 7。可见，导致曲线弯曲的因素是多方面的。

鉴于实际 K 系数一般不是很好的直线，而是曲线，故建议以提供 K系数曲线的方式为好。相比只提供一个具体的 K 值，可以减少误差。单一 K 值可能带来很大的误差而不具有使用意义。虽然在拐点前后可以近似为直线而得到两个 K 值，但在实际应用时却存在困难。这方面请读者自己思考。故不建议如此操作。

在不少的文献和标准中，在测试 K 值时都建议使用很小的电流，目的是减少电流产生的热量带来的影响。电流大，固然会产生热量。但是，每次测试时，由于时间非常短，同样的电流导致的温升情况相同。即由电流导致额外的电压、温度变化量相同。因为我们需要的是两点的数据相对值，而不是绝对值。在计算直线斜率时，通过两点的电压值、温度值相减，可以完全消除这种额外的电压、温度变化量。同样，测试仪表本身固有的误差也会因相减而消除。

图 3 是一款 2835 型 LED（额定电流 60mA）在不同电流下测试的 K 系数曲线。图中的点是实测数据，曲线是拟合曲线。图 4 是将两条曲线重合后的状况。可以看到它们基本重合。

图 5 是文献【3】的测试结果，不同电流（从 10mA～350mA）下测得的各电压温度曲线在 100℃以下 K 系数也基本上是相同（读者可以利用一些图形处理软件截取某条曲线移动到其它曲线上观察，可以看到基本上是重合的）。

根据文献【3】的测试方法，参看图 6，其测试时电源和测电压的导体与 LED 的接触是机械压接，这容易产生接触电阻，该接触电阻在较大的温度变化下可能产生较大的偏差。并且电压测试点距离 LED封装体电极较远，供电和测电压系同一条导线，这不符合四线法要求，封装体外部的电阻就会引入误差。从图 5 可以看到，并不是每个电流在较高温度下得到的电压结果都有大的提升。在 300mA 时，120℃测试的电压明显比其它电流下有严重异常，而 350mA 时电压提升并不高。本人曾做过实验，将 LED 加热到 300℃，仍然发现电压是单调下降的。由此，本人推断，文献【3】在较高温度下电压提升，可能与其测试机构引入的寄生电阻有关。

从上面的实测例可以看到，测试电流大小对 K 系数图线形状基本没有影响。影响的只是不同电流下的 K 系数曲线在纵坐标上的位置。或者说，K 系数图线随电流改变而上下平移。

测试电流的大小对 K 系数曲线没有影响，这一点很重要！这对实际应用 K 系数来测算结温是很有利的。因为，在任意电流下测得的 K 系数值或曲线，可以直接应用到实际的任意电流工作状态测算结温。这样，在测试器件实际的工作状态下的结温，直接测量相关温度点的电压即可，不必通过减小电流到测量 K 值时的小电流下测电压。实际工作情况下，比如一个现成的灯具，其原配的电源是没有可能瞬间减小电流到测 K 值时的电流水平的。因此，以往的文献中介绍的利用 K 系数测算结温时通过改变电流测电压的方法是既不实用、也存在误差的。从本文所述的内容看，完全没有必要这样做。

测量半导体器件的电压温度系数，应该采用四线方式，即两条线用来给 LED 供电，另外两条线用来接入高精度数字电压表。并且接电压表的线应该尽可能靠近器件封装电极，这么做的目的是尽可能减小电流在导线电阻上的压降对测量 PN 结电压的影响。尤其是温度变化范围较大时，导线的电阻率往往是温度的函数。这样，同样的导线，在不同温度下的电阻不同，就会引入电压误差。同时，测电压的导线应该采用较细的导线，以避免导线的热传导对器件温度的影响。同时要注意，测电压的导线一定要采用焊接方式，而不要采用机械压接的方式，以避免接触电阻的影响。采用机械压接时，由于接触面不平整等因素，在较高温度时发生形变导致接触电阻增大，从而使得测得的电压偏离，通常表现就是电压偏高，即高温段曲线异常上翘。

根据经验，LED 的电压温度系数一般在－1.4 ～－2.6mV/℃之间，对工程应用来讲，电压表的显示精度应达到毫伏级。对于 4 位半数字万用表而言，在 20V 档位，测量 10V 以下是可以显示到 1mV的，如此其误差就是 0.5mV（如 3.0005V 显示为 3.001V，3.0002V 显示为 3.000V）。（这样即使 0.5mV的误差，针对 K 值为－1.4 mV/℃而言，带来的最大温度误差也就是约 0.4℃。）当然，能有更高精度的电压表是更好了。

测试中可能在某些测试点出现偶尔误差，因此，建议测试时应该多测试一些温度点。一般在 20～140 度范围内（业余条件下，可能制造低温环境不方便，低端温度可以选为 30～40℃），每隔 20 度选一个测试点。实际测试时，温度值不一定非要达到某个整数值及很精确的间隔。因为实际使用算结温时并不需要这些实际测试到的数值，而获取 K 值或曲线，是要对这些测试的数据做处理的。数据处理方法将在下面讲述。

本文不是研究制造专业的、商品化的测试仪器的，因此介绍的测试机构相对专业的仪器而言看起来是简陋的。但是如果明白了测试的原理，简陋的机构也是能够保证测试要求的。所谓“简陋”，是指你自己构建的测试机构没有必要搞什么美观的仪器外观、或是如何的规整，拼拼凑凑能达到目的即可。本文的目的是让一般的器件生产商和器件使用者能够利用自己的条件来自行测试 K 系数并用以测算实际使用中器件的结温。

① 准备一个恒温装置，可以采用商品恒温箱。如果没有，可以采用一个有较好控温装置的加热平台，然后用一个壳体罩住器件，如此构成一个简易恒温腔。注意壳体最好采用较厚且导热差的材料，且腔体要尽量大一些，目的是尽量避免外界温度的影响，保证腔体内能够保持恒温。可参看图 7。

② 将器件正负电极分别焊好两条导线，一对用于给器件供电，另一对用于连接电压表。然后将器件置于恒温室。（尤其需注意，对于小功率或体积较小的器件，应该采用较细的导线。）参看图 8，红色和蓝色导线用于接电源，橙色和绿色用于接电压表。

③ 将一个热电偶固定于器件上，用于测量器件的温度。当加热到一定温度并恒温后，此时 PN 结的温度也就是此温度。温度计精度需达到 0.1℃。参看图 8，黄色线表示热电偶。

⑤ 当着在某个测试温度点上达到恒温后（一般在 15 分钟内温度变化不超过 0.5℃），给器件以恒流方式供电并测量器件端电压的初始瞬间最大值。之后停止供电，开始升温到下一个测温点再进行测试。

小技巧：由于器件上电压的建立及仪器对被测信号的响应有一定的时间，并且这个时间比较短，初始时电压显示呈现先上升并在很短的时间内开始下降，要读取最大值往往不容易，很容易错过读数。建议用摄像装置对仪表显示进行摄像，这样在错过读数时可以回看录像来获取电压最大值。

记录好各个测试温度下对应的电压值。注意；如果一次读取电压不成功，要停止供电足够长的时间，以使 PN 结温度恢复到恒温值，然后再重新测试。切不可连续操作。

对测试完成后的数据要进行处理和分析。将数据拟合成平滑的图线。拟合曲线时，应注意实测数据应均匀分布于拟合曲线的两侧（还需注意排除个别偏差大的数据）。注意，不要采用如 AutoCAD软件根据点坐标自动生成样条曲线的做法。

对于拟合后的曲线，不要因为看似接近直线就随意更改为直线。这样可能导致很大的误差。不过，对于有些 LED 的 K 系数特性，可以根据演算考察误差后，如果在结温在 0℃～140℃范围内误差在 3℃以内的，可以用直线来处理。

所测得的 K 系数曲线实际将是一种型号规格产品的典型特征，它并不代表该型产品中具体某个产品的实际参数。因为该曲线对同一规格的产品可以认为是一样的，而具体的每个产品的 VF 值是有差异的。如果将每个产品都实测出 K 曲线的话，你会看到，曲线形状相同，但在坐标系中所处的位置高低是不同的。即不同样品在结温相同时，它们的电压可能是不同的。

例如图 9 所示，实用产品的潜在的 K 曲线和测试样品是相同的，但两者的 VF 不同。比如在环境温度为 30℃时测试实用产品的电压值，和测试样品在该温度下的电压是不同的。当结温在某个温度下（如 100℃）恒定后，两者的电压仍然是不同的。但两者在任意两个温度下的电压差却是相同的。

因此，在规格书中给出的 K 系数曲线的纵坐标用实测样品的 VF 值来标识并没有实际意义。因为在现实应用中，图 9 中“实用产品”的这条曲线在规格书中是不存在的，有的只是测试样品的曲线。我们是要用测试样品的曲线来计算结温。

所以，纵坐标最好是采用“相对电压”或“参考电压”来标识。“相对电压”是指纵坐标标识的数值表明曲线上各点之间的电压相对值。采用“相对电压”的概念，图 9 中两条曲线实际就可以合并为一条曲线。图 9 就可以表示为图 10。注意比较图 9 和图 10 中纵坐标标识的数值差异。

当然，对于“相对电压”标识值的方式，并不见得仅采用图9 到图 10 这样的变换方式，即将原来实测数据 2.9V 重新规定为0V 点。也可以类似图 2 那样，将 25℃（你也可以采用任意的温度点）对应的电压值规定为纵轴 0V 点。不过这样会导致纵坐标出现负值。

对于实测的上、下两端温度以外的部分，则可根据曲线的趋势分别向外延伸。比如，实测时选择的最低温度是 30℃，最高温度是 100℃，对于小于 30℃和大于 100℃的部分，则根据曲线的走向趋势向外延伸。延伸部分可用虚线来表达。如图 10 中，虚线部分不是实测得到的，而是根据实线部分的趋势向外延伸的。

制作 K 线图时，坐标刻度尽量划分细些，方便用户测算。尤其是纵坐标，由于电压的变化以毫伏计，应使纵坐标扩展尽量大一些，以使图线显得更加陡，以减小测量坐标读数误差。

器件本身的电阻构成主要有：P 型区、N 型区、PN 结区的电阻；器件上的电极材料电阻、芯片粘结材料电阻（对垂直导电结构的芯片而言）、芯片到支架间的金属引线电阻、支架体的电阻。

半导体材料的 P 区、N 区、PN 结电阻都是负温度系数，这是我们考察的主体。封装材料的电阻都是正温度系数，这是我们不想要的电阻。当温度改变时，这两类电阻引起的电压改变是相互抵消的。因此，内部封装材料的寄生电阻是误差的来源之一。

通常，芯片本身在设计中已经会考虑到有关电极材料的电阻，会设计的尽可能使其最小化。但在芯片封装时，可能会引入较大的寄生电阻。比如芯片到封装电极的引线焊点有焊接不良、垂直导电芯片的粘片银胶的电阻等。当然在正常良好的封装工艺下，通常这种寄生电阻也会很小。我们讨论 K 系数测量问题时，是以良好的封装工艺为前提的。

从我们对 LED 的实际测试、使用经验可知，在 LED 芯片允许的工作温度范围内，温度升高时，总会看到 LED 的电压是下降的。这说明，半导体材料的电阻随温度的变化量是占主要的，封装材料的电阻影响是次要的。通常封装材料的电阻都很小，即使随温度升高而改变，其变量往往是可以忽略的。这样我们在测试 K 系数时，可以不考虑封装体电阻随温度变化的部分，即近似认为其不随温度变化。在求 K 系数时，通过相减计算（依据公式 2 的原理），可以消除封装体电阻上的电压。

测试机构的电阻通常是正温度系数，在不同温度下，电阻值变化量会不同。因此，要求测试机构引入的电阻尽可能小。由此，要求测试 K 系数时，测电压的端点应该尽可能靠近封装体的电极，以避免电极以外的电阻随温度变化引入的误差。并且要求供电导线和测电压导线应该有良好的焊接，不宜采用压接的方式。压接的方式或多或少存在接触电阻问题，温度变化（由芯片传导过来的热量和电流导致的热量）容易导致接触电阻变化。尤其是测电压的导线，应该直接焊接到器件封装体的电极端。

实际上，即使是同一批产品，各个器件的参数总是存在一些差异，因此，产品的规格书参数只能是反映产品的典型特性，并不代表具体的某一个产品的实际参数值。而测试制定一款产品的参数规格，也只能是测试少量样品来确定，不可能通过全部产品测试来确定。真这样也无法确定了，因为即使测试了全部产品，参数值也是不可能都是相同的。由此，同一个样品或不同样品测试上的一些小误差是可以接受的。当然，“小误差”的量值是需要考虑的。

另外，测试时也只是选取了少量的温度点，且测试中难免还会带来一些偶然误差，测试完成后还需做数据处理，比如，拟合成曲线时本身就会带来误差。即使是专业的、高精尖的测试装置，是否能做到测试得到的各个数据点都是准确地落于直线上或一条很规则、平滑的曲线上？因此，强调绝对的准确是没有意义的。

关于仪器方面的，虽然仪表测量电压时会有个反应时间问题，以及供电瞬间电压有上升过程，这对绝对测量具体温度下的电压可能有误差，但对测得 K 值并不会带来误差。因为对每个测试温度点都有同样的误差，K 曲线的形状就不会改变，改变的也只是曲线在坐标中的位置高低。这并不影响 K 曲线的准确应用。因为曲线上各温度点间的电压差是相对不变的。而我们使用的就是这相对的电压差，而不是每个温度点对应的真实电压值。这方面在后面的结温测量一节中可以清楚地看到。

对于器件生产厂商，如果测试产品的 K 系数是为了制定规格书。则应该挑选几个其它光电参数都符合规格的样品做测试，然后总结给出一个典型的 K 系数，当然最好是给出典型的 K 曲线。

在实际的测试中，由于各种原因，几个测试点所获得的实际数据，一般都不可能十分完好地在一条直线上、或在一条有规律的平滑曲线上。一般是做一条直线或有规则的平滑曲线来贯穿离散的点，并尽可能使得离散点能较均匀地分布在所绘线条的两侧。这种离散带来的就是误差。所绘线条上所对应的数据就代表了该产品的典型参数值。线条数据和测试点数据是存在差异的，这就是批量产品中各产品的具体参数与规格书参数之间的误差。即使到专业的机构用专业的仪器测试，也是这样的结果。

只要你自制的测试机构较为精细，仪器精度足够，测试的结果也不会差。我还是那句话，自制设备是自用的，不是作为商品买的，所以不要华丽的外观与正规，比如恒温腔，就是一个能保温的罩子罩住样品、能达到保温的效果即可，这比一个正规的商品恒温箱价格低不知多少倍。

前面已经讲了，K 系数值或曲线与电流大小无关，因此，实际利用 K 系数测算结温时，不需要通过改变器件的电流来进行。可直接在实际的工作电流下通过测试 LED 的电极端电压来计算。

第一种情况：器件厂商提供的 K 值只有一个值。这样计算步骤简单。但可能因为器件的电压温度系数不符合直线关系而导致误差。误差可能达到 10℃以上。当然，如果该器件的 K 系数在整个温度范围内能很好地接近直线，提供单一 K 值也是可以的。

③ 给器件通电，记录通电瞬间电压表显示的最大值。该电压值即为结温等于环境温度值 Ta 下的值 Ua。由于最大值出现的时间很短，可以用摄像设备对电压表显示屏摄像，通过回看来获取最大值读数。

注意：给出的 K 曲线图纵坐标上的电压仅是表明曲线上各点的相对参考值。绝不能以测得的热稳态电压值直接对应纵坐标的值去查找结温！使用计算ΔU 来获取结温才是正确的。另外注意，此时不需再上加环境温度。

b. 如果由于结构设计的限制，可能导致不同位置的 LED 温度预估有大的差异，则最好从选定的几个关键位置的 LED 上引出导线来测算单独 LED 的结温。

c. 如果要省事一点进行估算，可采用直接测量串联 LED 的总电压，然后除以 LED 串联的数量得到单个 LED 的 Us 值。但会有导线及 LED 差异导致的误差，但灯具的设计有余量的话，这样引入的误差通常是可以接受的。