毕业设计（论文）-大功率LED结温的非接触测量技术研究.doc

大功率LED结温的非接触测量技术研究大功率LED结温的非接触测量技术研究摘 要大功率LED凭借着其优良的性能在照明领域中应用的越为广泛，尤其是近年来国家对半导体照明行业的扶持，使得大功率LED迎来了飞速发展时期。于此同时，市场和社会对于LED功率的需求日渐增大，但伴随着功率增加其出现的散热问题也愈加严重，LED产品的性能和寿命受到严峻考验，其电热特性检测和LED结温测量成为了一个急需解决的难题。本课题就是以解决大功率LED结温的非接触测量问题入手研究，通过分析和研究大功率LED灯具的电热特性，了解了大功率LED灯具的内部结构和散热途径。并针对非接触式红外测温技术进行研究分析，在分析研究已存在的诸多测量大功率LED结温的方法，为后续结温测量模型的建立奠定了理论基础。本文就目前现有测量LED结温方案，对于封装完好的大功率LED灯具不能直接测量其内部结温，提出了一种基于非接触的LED结温的测量模型。该测结温模型主要包含两部分：LED结温与外表面温度对应关系的数学描述和红外测温校正算法。首先，研究分析了不同类型的大功率LED芯片的热阻、热辐射和温度场数学模型，并给出了对LED灯具组件温度场的有限元解法。同时利用ANSYS对LED进行了建模仿真，通过分析其温度场的变化规律，给出了LED结温与外表面温度对应关系数学描述。其次，分别利用正向电压法和红外热成像法对大功率LED灯珠和大功率集成LED灯具组件进行了温度采集实验，通过对大量实验数据的分析，给出了一种利用红外热成像法更为准确测温的校正算法。最后，结合LED结温与外表面温度对应关系的公式和红外测温红外校正算法，构成了一种基于非接触的LED结温测量模型。将模型应用在1WLED灯珠和100W的葵花型散热器LED，验证分析该模型的可行性和可靠性。并对测结温模型进行误差分析，其误差率不超过3%，相比于峰值波长法和蓝白比法，适用性更强，精度更高。关键词 LED结温；有限元仿真；红外热成像法；非接触测结温模型Research on Non-contact Measurement Technology of High Power LED Junction TemperatureAbstractHigh power LED is used more and more because of its excellent performance in the field of lighting more. Especially in recent years, the semiconductor lighting industry is supported by the country, which makes the high power LED usher in a period of rapid development. At the same time, market and social demand for LED power increases with each passing day, but the heat problems have become more serious with the power increases. The performance and service life of the LED products is facing to a severe test. LED junction temperature measurement and electric characteristic detection become a urgent problem.This subject is to solve the problem of non-contact measurement of high power LED junction temperature. Finish the analysis and research on the electric characteristics of power LED lamps, and understand the internal structure and the heat dissipation way of high power LED lamps. According to the analysis and research of non-contact infrared temperature measurement technology, we have finish the analysis and research on many methods of measuring the junction temperature of high power LED, which has laid a theoretical foundation for building the subsequent junction temperature measurement model. In this paper, the current measurements cant directly measure the internal junction temperature of LED by packaging. So we propose a non-contact measurement model of LED junction temperature. The junction temperature model mainly includes two parts: the mathematical description of the relationship of between LED junction temperature and the temperature of the outer surface, and the correction algorithm of infrared temperature measurement. For the establishment of the former, we study the mathematical models of high power LED chips thermal resistance, thermal radiation and temperature field. And then we give a finite element method of the LED lamp. At the same time, we finish the modeling and simulation for LED by ANSYS. And we give the mathematical description of the relationship of between LED junction temperature and the temperature of the outer surface. Secondly, we finish making experiments of collecting data by forward voltage method and infrared thermal imaging temperature. Through the analysis of a large amount of experimental data, we give a more accurate temperature measurement correction algorithm based on infrared thermal. Finally, combined with the both, and the application of 1W lamp and 100W sunflower radiator LED verify the feasibility and reliability of the model. And we give the error analysis for measurement junction temperature model. The error rate is less than 3%.Compared to the peak wavelength method and the ratio method of blue and white, it has a stronger applicability and higher precision.Keywords The LED junction temperature; Finite element simulation; Infrared thermography; Model of non-contact measuring junction temperature不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- VI -目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 本课题的研究背景和意义11.1.1 本课题研究背景11.1.2 本课题研究的目的和意义21.2 大功率LED结温测试技术国内外发展现状31.2.1 结温测试技术研究现状31.2.2 热辐射测温技术研究现状41.3 本论文的主要内容5第2章 大功率LED基本特性以及红外测温技术72.1 大功率LED的电气特性72.1.1 大功率LED 的发光原理72.1.2 大功率LED 光源电气特性82.2 大功率LED的热学特性92.2.1 大功率LED发热问题92.2.2 大功率LED结温影响因素102.3 热辐射理论和测温技术122.3.1 黑体辐射122.3.2 热辐射定律132.3.3 全辐射定律142.3.4 红外热辐射测温方法162.4 红外热探测技术162.4.1 红外热成像系统的构成和工作原理162.4.2 红外热像测温模型182.5 本章小结19第3章 大功率LED非接触测结温方法设计及仿真203.1 非接触测结温方法分析和结温测量模型提出203.1.1 非接触结温方法分析203.1.2 测量LED结温模型213.2 LED热阻模型的数学描述和温度场有限元解法213.2.1 LED热阻模型的数学描述213.2.2 集成LED组件的热辐射数学模型233.2.3 建立LED组件温度场数学模型243.2.4 温度场的有限元解法253.3 LED灯具组件有限元仿真分析283.3.1 仿真假设条件283.3.2 LED组件仿真初始参数设定283.3.3 LED灯珠和集成LED灯具组件建模293.3.4 施加载荷求解温度场303.3.5 LED灯珠仿真结果313.3.6 集成LED灯具组件仿真结果323.4 LED灯具组件结温与外表面温度对应关系数学描述343.5 本章小结36第4章 LED产品测试实验和结果分析374.1 LED实验产品和方法介绍374.1.1 LED实验产品374.1.2 正向电压法测LED灯珠测试结温准备374.1.3 红外热成像法测集成LED结温测试准备394.2 HV-DC1W灯珠和KP -LA100W灯具测量实验和分析404.2.1 HV-DC1W灯珠结温数据采集和处理404.2.2 KP -LA100W阵列式灯具温场数据采集和处理424.3 非接触结温测量模型建立和分析474.3.1 建立非接触结温测量模型474.3.2 模型的可靠性和可行性分析484.4 结温测试模型的误差分析524.5 本章小结53结论54参考文献55千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 本课题的研究背景和意义1.1.1 本课题研究背景自古以来，人类对于光明的追求一直不曾懈怠。最初，火被人类祖先发现和使用，使人类得以从一个生食时代转变到利用火来获取温暖和熟食的时代，并使得人类能够在黑暗中寻求光明。直到1879年末，爱迪生发明了白炽灯，带来了照明领域的一次革命，实现了真正意义上的人造光源1，如果仅从照明角度而言，白炽灯的发明堪称是人造太阳般的重大突破。之后二十世纪三十年代末期，荧光灯以及改进后的节能灯的发明，使得照明领域进入以节能、照度大、光线柔和的时代2。但节能灯的发明，却存在着一个致命的缺点，就是节能灯含有汞，汞是有剧毒的，它会对环境产生巨大的危害，尤其是在发展中国家，基本上没有能够完成节能灯的无害处理能力，使得其污染环境和所接触到的水资源。鉴于此，随着科技的发展，社会的进步，能源的消耗加剧以及节能环保意识的形成，从而对照明领域提出了更严格的要求。使得具有绿色节能、高效环保、寿命长等优势的半导体发光二极管LED应运而生，被视为人类照明史上的第四代革命。LED以其固态发光、寿命长、响应速度快、驱动方式灵活以及较高的防震能力等特点，使其在信号灯、指示灯、工矿与家庭照明、LCD背景光源以及装饰品等诸多领域被广泛使用3。LED作为节能环保新一代的照明产品，在能源日渐匮乏的年代，实际上各个国家开始鼓励对绿色技术的开发应用，陆续推出了禁止制造和销售白炽灯泡的时间表，并以耗电少而价格相对便宜的LED照明开始走入千家万户。2010年大洋洲和欧洲部分国家，如阿根廷、意大利以及澳大利亚等，就率先禁止售卖白炽灯；之后如北美的美国和加拿大与欧盟众国先后禁止售卖使用白炽灯4,5。据此推测，照明市场由于白炽灯的淘汰会有巨大经济市场空缺，这将极大的促进LED照明产业的推进，使得LED将迎来一个新的发展期，届时对于LED开发与应用稳步向前推进，并带来不可估量的经济利益和社会效益。1.1.2 本课题研究的目的和意义与传统照明相比，LED照明行业发展时间相对短暂，有巨大的发展空间，使得LED照明产业仍处在一个发展上升期。但是不可否认的是，LED照明产业发展存在着诸多制约因素，无论是从LED灯具本身器件，例如光源芯片的光电转化率，驱动模式设计、光学设计以及散热结构的设计等方面，还是从LED照明产业相关的配套产业6，如照明产品缺乏统一行业标准，质检方法和标准还不完善，各公司产品不能通用等方面，很多关键问题没有合适的解决方案，仍非常需要处理，需要解决。本课题所做的研究工作是针对制约LED照明产业发展的一个重要因素结温。总所周知，相比于传统的白炽灯和荧光灯，大功率LED拥有这迥然不同的电热特性和光电特性。LED是半导体照明的产物，而半导体对温度的敏感性同样移植到了LED，使得其开发和应用设计都得满足热学指标的限定，否则就会对LED使用寿命和可靠性产生重大影响7。而LED光源芯片对温度的极其敏感则体现于结温上。LED结温就是PN结的温度，其形成是由PN结特性所导致的。当LED正常工作时，将施加正向偏压于PN结，作为发光载体的PN结中有电子空穴对于芯片有源层发生带间跃迁，形成电流，与此同时通过与光子复合后形成并发射出光8。LED发展早期，功率相对而言较小，使得结温低则不会影响LED开发和应用。随着LED技术不断发展，实现了功率由小向大，从单颗到集成的转化，这种转化使得LED得到更得应用和认可的同时，导致结温大幅度升高，使得其初相可靠性和使用寿命等质量问题。导致结温上升的因素则有三点：第一，也是最重要的一点，光电转换效率。由于受到材料限制问题，LED的PN结是不够理想的，不能把所有的电转化成光发射出去，在此过程中会有约75%到85%的功率发生非辐射符合并以晶格震动的形式转化为热。第二，封装材料热阻高。LED作为产品出厂之前得进行封装，其封装材料包括银浆、环氧树脂、塑料管壳等热阻较高，阻碍热量散发出去，导致LED灯具散热通道不畅，散热能力较差，PN结温升高。第三，多级电阻串联产热。当LED正常工作时，电流会通过LED两侧的电极引脚、窗口层、PN结区材料以及导电银胶，以上材料均为串联，并有一定的电阻，有焦耳热产生，使得PN结温度上升。第四，辐射光子反射。热量通过辐射光子的形式散发出去时，会通过灌封胶和PC透镜形成多次的折射和反射，会有部分热被芯片材料和衬底吸收，温度升高9。因此，基于以上分析，认为对大功率LED结温非接触测试方法研究对于整个照明产业存在非常重大的实践意义。1.2 大功率LED结温测试技术国内外发展现状自上世纪由于半导体技术的进步，LED应运而生以来，LED产业技术一直在平稳发展。直到二十世纪七十年代，蓝光LED被日本日亚化学的中村修二发明以来，这一划时代的发明使得LED技术创造出了白光，成功的进入照明领域，LED室内照明实现巨大的能源节约，在这个能源消耗日渐严重的时代，LED节能照明领域上的成绩也使其发明者拿到2014年诺贝尔奖。但在LED照明产业飞速发展时期，随着LED功率日渐增大，其电热特性检测和散热问题成为了一个急需解决的难题。目前国内外对大功率LED光电热特性测试技术相对成熟，且国内有部分专家学者也将国外优秀的测试方法引进，并主动参与LED检测标准的制定。但总体而言，国内对于大功率LED灯具相关热学问题的研究对LED照明产业发展周期而言还是处于一种初始阶段。1.2.1 结温测试技术研究现状结温是LED灯具中一个最基本的热学参数，结温高低将会对LED产品的出光效率、可靠性和使用寿命造成影响。但LED产品，通常是封装好的，直接测量其PN结温度分布非常困难，因此人们通常会通过间接的方法进行测量，主要分为接触式和非接触式两大类。其中接触式测量结温方法主要是以电学参数的热阻法、正向电压法和功率法。热阻法也称为管脚法或微电偶接触测量法，该方法主要是利用热电偶粘贴在LED灯具的管脚或散热板上，通过读取管脚或基板的温度、LED的功率以及PN结到管脚或基板的热阻来测量结温11。功率法是一种通过获得LED光输出功率，然后根据获取的功率与结温之间存在的关系来获取结温的方法。由于该方法会受到灯具的散热能力和光源芯片制备过程影响，因此该方法只能够作为一种经验的估算方法。正向电压法也称K值小电流系数法，是目前最被人认可，也是最常用的结温测试方法，主要通过测量LED正向施加电压，然后根据结温和正向电压之间存在的关系来获取LED结温12。该方法在实际测量时，主要分为定标测试和直流工作两个阶段。首先是K值获取，即定标测试阶段。将样本LED灯具放入一恒温箱中，使得LED灯具处于一种特定温度的环境当中，达到平衡时，PN结温与环境温度一致。此时用低于额定工作电流占空比1%的脉冲电流或者1%的小电流接通LED，记录电压值。然后改变恒温箱的温度，重复以上操作测量多组温度与电压的数据。根据公式（1-1）求的K值。 （1-1）然后在正常的工作环境当中，检测环境温度，点亮驱动LED后，测量初始电压，当点亮LED一段时间后使得其热平衡后再次测量正向电压，再利用之前得到的K值求的结温，即公式（1-2）： （1-2）非接触式光学参数的红外热成像法、峰值波长检测法和蓝白比法等。其中蓝白比法主要是是根据InGaN基蓝光LED芯片发光与荧光粉发光随温度变化不一致，当LED结温升高时，使得蓝光峰值波长向红光方向移动，同时也降低了荧光粉转化效率，使得其发光的减弱比蓝光跟为显著，根据这一特性即可求得LED结温13。而峰值波长检测法也称为电致与光致发光法，主要是根据半导体材料的电致发光光谱，当LED结温升高时，带间辐射复合所引起的LED光谱峰值和温度存在一定的关系，进而求得结温14。红外热成像法则同样是利用红外热成像设备对样本LED灯具散射的红外辐射能量进行采集，并通过设备内部光学系统和信号处理系统加以处理，并呈现在显示系统中。根据史蒂芬-玻尔兹曼定律中温度与红外辐射能量之间的关系，从而确定样本LED的温度。但是非接触式光学参数法都是针对未封装LED芯片，才能测的结温，使其具有一定的局限性。1.2.2 热辐射测温技术研究现状1800年，德国科学家霍胥尔利用三棱镜将太阳光分解开，发现了红光外侧温度上升很快，从而发现了红外线，也称红外热辐射。隐丝式光学高温计出现于19世纪，但是由于存在较大的误差，使其大受限制。直到20世纪六十年代光电高温计出现，利用光电转换器件或光电倍增管转换器件，极大的降低了人为误差，并且具备自动化的应用条件。七十年代，随着半导体技术飞速发展，半导体热辐射探测技术出现，主要是利用半导体材料硅制作成的光电探测器，大幅度提高了光电探测器的灵敏性和稳定性，这就是光电精密测温技术15。热辐射测温技术的物理基础是自然界中一切高于绝对零度的物体都会向外发出红外辐射，并且该辐射与温度存在一定的关系。而普朗克定律、维恩位移定律和史蒂芬-玻尔兹曼定律为辐射和温度的关系给出了全面的诠释，但存在一个前提，测试样本是理想的黑体。显然这是不合理的，这就导致通过测量辐射值来确定温度会存在很大的偏差16。不同发射率的物体可能会被检测到相同的辐射值，使得其测量存在很大的不确定性，进而引入颜色温度、亮度温度和辐射温度的概念，使得黑体辐射定律能够应用于实际的温度测量。每一种材质的发射率都不同，由于它与其表面状态、形状、内部结构、组成成分等等均有关系，所以发射率很难被测量17。因此实际测量中，只能根据材料来估算发射率，这也导致了目前红外热辐射测量温度的准确性不够精确。发射率的问题一直是制约辐射测温技术精确测量的重要因素，而测温系统的标定则是其另一个关键技术。标定的准确与否，直接会影响到实际的温度测量，使得其测量范围和精度大大降低。因此，热辐射测温技术的实际应用当中还存在这很多的技术问题需要解决，而稳定性好、精度搞的标定热源和方法是辐射测温技术中的一个重要研究课题。1.3 本论文的主要内容随着LED照明产业的飞速发展，社会对大功率和高集成化的要求愈演愈烈，而随着大功率和小型化发展的同时，对于LED灯具的散热问题变得尤为重要。本论文则针对大功率LED灯具的结温测试技术和红外辐射测温技术进行技术研究和探讨，分析其电热特性和整体的散热设计，并利用ANSYS进行有限元仿真，提出一种基于红外热成像测封装LED结温的方法，为LED照明产业发展和应用做出贡献。本文将从三个方面进行研究分析：1对大功率LED电热特性和红外测温技术进行研究首先，对单颗LED和阵列式集成LED进行电热特性分析，并对结温测试技术进行研究和探讨，对下文的结温的实际测试实验打下理论基础。2大功率LED结温进行实际测试 通过实验验证，通过采用正向方法和红外热成像法对大功率LED进行实际测量，获取所需的数据，并对数据分析处理，分析其影响精度因素以及热场分布，提出一种更为精确的非接触测量温度的方法。3进行热阻模型分析并热学模拟仿真通过对大功率LED热阻模型分析，研究封装完好LED的内部布局。分析研究LED工作状态下的温度场分布，利用ANSYS模拟仿真，获取结温与封装表面的对应关系的数学描述，进而得到利用红外热成像法测LED结温的测温模型，并通过实际测量校验和优化。第2章 大功率LED基本特性以及红外测温技术本章主要分析和探讨了大功率LED的电学特性和热学特性，指出其存在的一些问题，同时也介绍了红外测温理论以及在LED结温测量方面的应用。第1章第2章2.1 大功率LED的电气特性2.1.1 大功率LED 的发光原理LED（lightemittingdiode）就是发光二极管，显而易见其具有二极管的特性，该电子器件具有将电能转化为光能的能力18。主要包括作为电致发光的半导体模块的PN 结芯片，以环氧树脂为封装的光学系统和作为针脚的正负电极三部分组成。LED发光主要是PN 结芯片的正常工作的结果，其LED芯片结构如图2-1所示： 图2-1 LED芯片结构图Fig.2-1 LED chip structure diagramLED具有二极管特性，因此只能施加正向偏置电压才能使其正常工作，当LED处于正常工作时，在正向电压的作用下，PN结区实现了电子的转移，并由N区转向P区，当非平衡多数载流子与少数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能19。而LED发出光的颜色不同，主要是辐射光子的能量不同。由于电子空穴之间所具有的能带间隙不同，使得其辐射光子时带的能量不一样，如红色光和橙色光具有的能量相对小，而紫光和蓝光具有能量就相对大。所以就能够实现通过调整电流，使得PN结区的能带间隙和结构改变，从而辐射光子所带的能量变化，LED将会发出不同颜色的光，这就是LED的发光原理20,21。2.1.2 大功率LED 光源电气特性由于LED功能和应该用场所的不同，其具体的结构，制备的工艺和所用的材料都有所有不同，使得LED在外部表现形式与普通的半导体二极管区分开来，例如贴片式、直插式以及集成LED等等。并且LED芯片的结构由于要求出光不同要求，也有正装和倒装结构的区分22。根据一般半导体二极管的基本特性来理解LED的电气特性，不过LED相比于一般二极管，其开启电压和导通电压更大，通常在3V上下。LED电气特性主要体现在LED电流与电压之间的关系，也就是伏安特性。LED的伏安特性如图2-2所示。图2-2 LED伏安特性Fig.2-2 LED volt ampere charatersticLED伏安特性主要是描述通过PN结的电流与LED正负两极电压所存在的关系。如图可知，类似于普通二极管的伏安特性，施加反向电压时为高电阻，施加正向电压时电阻很低。显然其符合作为二极管发明人之一的威廉肖克莱曾提出的肖克莱方程，该方程用来描述二极管的电流电压关系，如公式（2-1）所示： （2-1）其中涉及到的特性参数包括：LED的正向电流、反向偏置电流、正向偏置电压、反向偏置电压。而肖克莱方程中的是LED的热电压，通常是问下大概在26mV左右23。2.2 大功率LED的热学特性2.2.1 大功率LED发热问题前面提到LED的发光机理，是电子空穴对复合时以辐射光子的形式将能量转化为光发射出去，但仍有一部分复合会以声子的形式将能量转化为热量散发出去。同时LED发热还包括汤姆逊热、焦耳热以及封装材料对辐射光子的吸收发热等等24，都是导致LED发热的重要来源。1. 复合发热，是指电子电子空穴复合时通过声子的形式将能量转化成热能，主要分为深能级复合和俄歇复合，复合发射描述表达式如公式（2-2）所示： （2-2）和分别是指电子和空穴，为复合发射，为复合率，其大小为俄歇复合、深能级复合和自发复合三种复合率相加，为准费米能级。并且该过程能够冷却高于费米能级的电子，高能电子会发生跃迁占据复合后的空穴，同时伴有发热，公式如（2-3）所示： （2-3）其中为电子的温度，其中为单位电荷，为热电势。2. 汤姆逊热，是指在有温度梯度的介质中，载流子流动时把能量传递给晶格的过程中产生的热量，其表达式为公式（2-4）所示 （2-4）其中为汤姆逊热，和为载流子密度，为电流密度。3. 焦耳热，是指电子在流动过程中，会有大量声子将能量转化的热量。该热量会升高晶格的温度，假设晶格和电子的温度相等，均用表示，则其表达式如公式（2-5）所示： （2-5）式中，为焦耳热，代表材料的迁移率。4. 封装材料对辐射光子的吸收发热，是指封装材料能够吸收部分PN结中辐射出的光子中的能量，从而发热。但吸收的程度取决于光子能量，若光子能量很高，会激发孔子空穴对，产生带间吸收，但不发热。若光子能量低，则会直接或间接被晶格吸收，使得晶格温度升高，其表达式如公式（2-6）所示： （2-6）式中，封装材料对辐射光子的吸收发热，是吸收系数，光子能量，是光子流密度。2.2.2 大功率LED结温影响因素LED作为一种特殊的二极管，对温度敏感性是很强的。其温度特性主要体现在热阻和结温两方面。结温即PN结的温度，热阻就是阻碍热量在热流路径上传递的能力。一个完整的LED灯具其热特性体现，就是光电转换的不完全性引起的PN结温度升高，与PN结周围其他结构的材料热阻所耦合作用的结果。LED的结温是众多影响因素影响下的结果。在产热方面主要包括LED光电转化效率、工作电流、光输出量、光通量等等。其中LED光电转换效率由于受到材料和当前技术的影响，加之电源的变换效率和光学系统的损耗，使得LED在由点转换成光方面会存在巨大的能量损失，且绝大部分能量损失均转化成热量。其次就是LED工作状态下一些电和光学系统方面的影响，如图2-3所示，左侧为LED电流与结温的关系曲线，右侧为红白蓝三种颜色LED光的光输出量与结温的关系曲线。从2-3左侧图当中可以看出，如果不改变偏置电压，PN结温度会升高，并且升到一定程度后电流会慢慢减弱，从而使得发光亮度也会逐渐变暗。而在右侧图中可以看出，结温的升高会使得光输出量降低，并且其光输出量降低速率依次为红光、白光、蓝光，会使得LED发光变暗25。对于结温的升高，LED的光通量同样会表现出降低，其与结温的关系如公式(2-7)所示： (2-7)其中涉及到的参数为结温、温度系数、和时刻的光通量和，当结温较小时，光通量收到的影响也会很小，是能够通过其他方式弥补。但是当结温达到一定程度，就是对LED光通量造成巨大的影响，与此同时也会使得功率损耗加剧，大大的降低LED的使用寿命。图2-3 LED结温与电流和光输出量的关系曲线Fig.2-3 The relationship curves of LEDs junction temperature and current and light output热阻就是结温在散热方面的影响因素，所谓热阻就是对热传递的阻碍程度。在LED散热过程中，热传导和热对流占据主要的形式，但是仍有一部分热量以热辐射的形式散发出去。热传导，是指接触物体或物体内部直接存在温度梯度是发生的能量传递的过程，是介质内无宏观运动时的传热现象26，如LED芯片到铝或铜底座的热传递过程就是这种传热方式，其遵循Fourier定律： (2-8)其中为热流密度（W/ ），负号代表热量流向温度降低的方向，为导热系数(W/ )，为沿向的温度梯度。热对流是指物体与周围介质之间发生的热量交换，如LED散热器与周围空气之间发生的热量传递过程。但是与热传导不同的是，热对流有两种形式。一类是强制对流，如LED中添加风扇或水泵来使流体加速运动；另一类是自然对流，完全依赖自然中流体密度的差异来完成流体运动的27。其传递过程用牛顿冷却方程来描述： （2-9）其中，为热对流系数，和分别为固体与周围流体的温度。LED结温在热传递过程中，影响其散热能力的具体表现主要有LED器件内部结构布局、封装材料、外部散热器形状和结构以及对应所使用的材料、环境温度等等。当然一个LED灯具的散热效果与散热器的选用息息相关，市面中常见的散热器多种多样，如拥有主动散热能力的加装风扇、热管等结构，以及被动散热的翅片、多孔洞结构等，其目的都是为了增加散热器与空气的接触面积和空气的流动速度，使得散热器和空气之间的传热系数更大，从而拥有更好的散热能力。当然外部环境温度也会对散热方面有很大影响，显然外部环境越高，散热越难，反之散热越容易。2.3 热辐射理论和测温技术2.3.1 黑体辐射黑体辐射定律，是德国物理学家普朗克于1900年所创的黑体辐射定律，所以又称普朗克定律，假定存在一种物体，能够将所有波长的辐射能量都吸收，并且不存在透过和反射，该物体命名为黑体，且其表面发射率为1。显然，自然界中没有这种物体，只是人类臆测出来的一种理想化的辐射体29。在任意温度T下，黑体发出的电磁辐射的辐射率与频率之间的关系如公式（2-10）所示： （2-10）其中是辐射率，是频率，为普朗克长度，为光速，为热力学温度，为玻尔兹曼常数，当=2.82时，辐射频率最大。若用波长代替频率，则关系公式为： （2-11）假定，则公式（2-11）可推导出黑体光谱辐射度与波长（）、热力学温度之间的关系式： （2-12）式中，是第一辐射常数，大小为，是第二辐射常数，大小为。如此就可以直观的看出黑体辐射度与温度的关系30。 黑体辐射定律揭示了物体辐射的规律，是辐射理想化的存在体，但在实际热辐射规律中还远远不能应用与实际，所以此后的科学家陆续发表了一些列理论来研究和分析热辐射规律，如维恩位移定律、Stefan-Boltzmann定律、朗伯余弦定律等。 2.3.2 热辐射定律物体辐射能量主要有光辐射和热辐射两种方式。光辐射是物体温度在500以上才会出现可见光的光辐射，通常在较低的温度下，物体会发出红外光，也就是红外辐射。其主要就是以波长区分的，电磁波的波普分布图如图2-4所示：图2-4 电磁波谱Fig 2-4 Electromagnetic spectrum从图2-4中可以看出，红外波段长波与微波相邻，短波与可见光相接。又因为波段在该区域内的电磁辐射有热辐射能量，因此又称为这一波段为热辐射区，其红外波段的波长为0.75m -1000m。红外波长与温度的关系如表2-1所示：表2-1 红外波长与温度的关系Table 2-1 Relation between temperature and infrared wavelength温度/波段峰值波长范围/m3540693近红外0-753693 210中红外36210 -80远红外615-80 -270极远红外151000根据频谱的分布，也就是根据红外辐射波长与温度的一一对应关系，才可以通过来测量和分析物体的热辐射能量，来确定温度的大小，其最大的优点就是能够实现对物体温度的非接触测量，这就是红外热辐射测量技术31。朗伯余弦体是指辐射源各方向上辐射亮度不变，辐射强度随观察方向与面源法线之间的夹角的变化遵守余弦规律。在热辐射当中考察物质的热辐射强度时，其求解就遵循朗伯余弦体，结合上节当中介绍了普朗克定律中光谱辐射度与波长和温度之间的关系式（2-12），可得出公式（2-13）： （2-13）而韦恩位移定律描述了随着辐射中的物体的温度变化，辐射能量的峰值光谱会发生偏移。公式（2-14）揭示了绝对温度与波长的乘积是一常数。 = 2898 （m） （2-14）由公式（2-14）可知，维恩位移定律揭示了辐射体温度和波长参数的关系，辐射峰值波长会随着物体温度变化而向反方向变化，即温度升高，波长变小，反之亦然，因此在使用红外热成像法等非接触测量方法测量大功率LED结温和热阻时，韦恩位移定律无疑会影响到测量的精度32。黑体辐射的光谱分布如图2-5所示：图2-5 黑体辐射的光谱分布Fig 2-5 The spectral distribution of black-body radiation2.3.3 全辐射定律全辐射定律，是在整个频谱范围内的建立的一个辐射与温度的模型。该模型是先后由史蒂芬提供的实验数据支持和玻尔兹曼提供的热力学理论分析，才能顺利建立并推导出来的，因此全辐射定律又称史蒂芬-玻尔兹曼定律，描述关系式为： (2-15)其中是黑体的总辐射度，为波长，为绝对温度，为史蒂芬-玻尔兹曼常数，大小约为，从公式中可以看出还是黑体为假设的前提下33。但是史蒂芬-玻尔兹曼定律在应用时，切记是在全辐射的含义，也就是包括物体所有方向的辐射能量，并且其范围是整个频谱。当将史蒂芬-玻尔兹曼应用到实际中时，出现在人们面前的问题是，在已知的任何物体中，没有一样是绝对黑体。发射率是指灰体的全辐射与同等情况下黑体全辐射能量的比值，并用公式表达如公式（2-16）所示： （2-16）其中为灰体的发射率， ，分别为灰体和黑体的全辐射度。表2-2 常用物体发射率Table 2-2 Emissivity of common objects物质温度（/）发射率铝（98.3%纯度的板块）227/4400.04577/10700.06金（高纯）227/4400.02铝（氧化599）199/3900.11599/11100.19铜199/3900.18599/11100.19水-0.95玻璃 (光滑)22/720.94锡 (亮的镀锡的铁片)25/770.04镍丝187/3680.1塑料（白色）-0.91橡胶-0.95每个灰体在没有任何变化的前提下，其发射率是固定的。但若因为其他因素改变了其内部结构或表面性状，其发射率也是会随之改变。并且每种材料其拥有的发射率也是不同，常见材料的发射率如表2-2所示。2.3.4 红外热辐射测温方法红外热辐射测温方法通过前面介绍的黑体辐射定律、维恩位移定律、朗伯余弦定律和史蒂芬-玻尔兹曼定律推导并应用而来。气宗黑体辐射定律揭示了辐射度与波长和温度之间的关系，维恩位移定律能够增加红外热辐射测温的精度，朗伯余弦定律则给出了其辐射强度随观察方向与面源法线之间的夹角的变化规律，而史蒂芬-玻尔兹曼则揭示了一个物体的全辐射度。因此红外热辐射测温方法就是通过测量某一光谱波长的热辐射数据，就能够根据维恩位移定律确定测试样本的辐射波长，并根据史蒂芬-玻尔兹曼和发射率就能够得到测试物体的温度。其灰体温度表达式如公式（2-17）所示： (2-17)该公式显示出灰体的热辐射度与物体的发射率和温度有关，且与绝对温度四次方成正比例关系，这也是目前应用较多的全辐射测温理论和红外热辐射测温方法。2.4 红外热探测技术2.4.1 红外热成像系统的构成和工作原理目前最常用的是红外热成像系统是应用焦平面技术的非平面热成像系统，其主要分为制冷型和非制冷型两种。图2-6 红外热成像系统示意图Fig. 2-6 Sketch Map of the Infrared Thermal Imaging System红外热成像系统根据分为主要包括光学系统、红外探测器、信号处理系统和显示记录系统构成，此外部分红外热成像系统还包括制冷系统、伺服系统等34。系统的功能就是将红外辐射不可见性变为可见的图像。红外热成像系统能够根据存在差异的热对比度，来区分照射区域内红外辐射能量密度，并在图像中显示。其组成示意图如图2-6所示。系统功能的实现，需要红外接收系统（光学系统），去收集来自目标的红外辐射，并将收集到的红外辐射输送给红外探测器；而红外探测器根据接收到的红外辐射强度的不同，转化为对应强弱的电信号；而信号处理系统则将转换后的电信号经过放大和转化处理，消除背景噪音；最后传送给图像记录系统，记录并以图像的形式在显示器中显示出来 35。图2-7 红外探测器的分类Fig 2-7 Classification of infrared detectors2.4.2 红外热像测温模型红外热成像法测量温度不是直接测的，而是通过红外热成像系统接收目标的热辐射数据，并对辐射数据转化处理才得到的。但实际测量中，会受到目标发射率、周围环境温度和辐射、大气衰减以及系统内部的辐射等很多因素的影响，使得测量温度数据是不精确的，存在误差。图2-8为热辐射原理图：图2-8 热辐射原理图Fig. 2-8 Heat Radiation Principle Diagram其中，为大气透射率，为目标的发射率，为环境温度，为大气温度，为目标温度，为被测目标的环境反射辐射能，为大气辐射能，为目标的辐射能。红外热成像系统显示的图像只是目标辐射温度的定性描述，若想获得目标的绝对温度，则必须对热成像系统进行校准标定。标定方法包括拟合曲线法和查找表法。其中拟合曲线法是将标定得到的数据用最小二乘法进行拟合，从而得到灰度与温度对应关系的拟合曲线，而查找表法是提前将之前的校准数据保存，当实际测量温度时，将修正曲线表调出直接查找即可36。系统的显示器中的红外图像的伪彩色值与温度有一一对应的关系，应满足关系如公式（2-18）所示： （2-18）其中，为红外热像的热值，为图像的伪彩色值，为热成像系统的热范围，为热成像系统的热范围。根据绝对温度与图像热值的关系如公式（2-19），计算出红外图像各点的温度。 （2-19）式中为实际热值，为目标发射率，为透射率。则被测目标的测量温度为： （2-20）其中对于红外辐射这种短波，=1，、为热成像系统标定曲线常数。2.5 本章小结本章详细的对大功率LED的发光原理和电气特性进行了介绍，讨论分析了大功率LED的伏安特性曲线；指出了LED发热的