一種測量發光二極管熱特性的方法及其裝置制造方法

一種測量發光二極管熱特性的方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種測量發光二極管熱特性的方法及其裝置，測量發光二極管熱特性的方法包括動態定標階段和靜態測量階段，動態定標階段將發光二極管多次分別置于不同的環境溫度下通入電流脈沖，測得不同的溫度下發光二極管的電壓電流特性曲線，靜態測量階段將發光二極管通入工作電流，測得發光二極管的電壓與電流值，再結合不同的溫度下發光二極管的電壓電流特性曲線求得發光二極管的溫升曲線；測量發光二極管熱特性的裝置包括脈沖恒流控制電路、數據采集器和控溫單元。本發明所提供的測量發光二極管熱特性的方法結合采用動態定標和靜態測量，提高了溫升曲線的準確性，同時縮短了測量的時間。
【專利說明】一種測量發光二極管熱特性的方法及其裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及發光二極管測量【技術領域】，尤其涉及一種發光二極管熱特性測量的方法及其裝置。
【背景技術】
[0002]發光二極管(LED)由于體積小、光效高、壽命長等優點，正逐漸取代白熾燈、日光燈等傳統光源，成為新一代綠色照明光源。發光二極管的發光機理是電子從高能帶到低能帶躍遷發射光子，而不是像白熾燈通過熱輻射的方式發光的，其發光效率提高很多。目前發光二極管的發光效率已達1001m/W，但外量子效率還不到50%，這意味著發光二極管發光效率仍有很大的提升空間。發光過程中大部分電能轉化為熱能，如果其熱阻過大，熱能不能迅速地傳導出去，發光二極管芯片PN結溫度就會升高，這會導致發光二極管發光的中心波長發生漂移以及出光效率和使用壽命降低。所以降低發光二極管結殼熱阻是影響發光二極管進一步發展的重要課題，而有效的熱管理首先需要更好的測量發光二極管熱特性的技術。
[0003]目前常用的能較準確測量發光二極管熱阻值的方法為正向電壓法。其原理是通過PN結的電流為一定值時，其兩端電壓與結溫近似成線性關系，測得這關系曲線后反過來就可根據定值電流下的結電壓得到結溫。所以正向電壓法測量包含兩個過程:定標過程和測量過程，其電壓和溫度的波形示意圖參見圖1。定標過程中，控制發光二極管在不同的恒定環境溫度下，即給定發光二極管的PN結溫度，測出在給定電流(定標電流)下的結電壓。為了避免額外的結溫升高，定標電流一般為工作電流的1%以下，從而得到在給定電流下結溫與電壓的關系曲線。測量過程中，保持發光二極管的環境溫度不變，通入工作電流并保持足夠長的時間，確保結溫到達穩定，這時迅速將通入的電流切換為定標電流值，測量發光二極管的端電壓，根據定標過程得到的結溫與電壓的關系即可得到發光二極管的結溫，從而進一步計算得到總熱阻。
[0004]值得注意的是，正向電壓法得到的是發光二極管結殼之間總熱阻，而不能得到發光二極管各層材料的熱阻，于是基于正向電壓法提出了動態測量法。第一步仍然是定標過程，測量恒流下結溫與電壓的線性關系。而第二步是在保持恒定的環境溫度下，測量發光二極管從通入工作電流到結溫不再發生變化這段時間內的溫升曲線，再經過連續化、反卷積、網絡變換、微積分等一系列數學處理，便可提取出各層熱阻信息。由于定標過程中的定標電流遠小于工作電流，所以測量溫升曲線時通過發光二極管的電流需要在工作電流與定標電流間相互切換。電流切換的一種方式是通入一定時間工作電流后迅速切換到定標電流，測量發光二極管電壓后又立即切換到工作電流，繼續加熱升溫。這種方法忽略了電流切換對溫升曲線的影響(實際上由于定標電流遠小于工作電流，切換到定標電流的時間內發光二極管的結溫必然會下降)，而且電流瞬間切換會產生電擾動，對結溫測量的準確性產生影響。以此方式切換電流的動態測量法的電壓和溫度的波形示意圖參見圖2。另一種電流切換方式是通入一定時間工作電流后，切換到定標電流進行數據采集，然后等到結溫降到環境溫度，再通入一定時間的工作電流，只是通過工作電流的時間長于上一次的接通時間，然后再切換到定標電流采集數據。這種方式通過對溫升曲線的多次測量近似等效為一次溫升，避免了測量過程對溫升的影響。但是隨著通入工作電流的時間長度逐漸增大，冷卻時間會越來越長，測量時間也將大大增加。
[0005]要想測量發光二極管從芯片到鋁基板各層熱阻值就要得到發光二極管從通入工作電流時刻起到結溫穩定這段時間內結溫的變化曲線，即溫升曲線。溫升曲線通過結構函數法，經過數據處理即可得到發光二極管各層熱阻值。而目前測量發光二極管溫升曲線主要采用的是上述靜態定標-動態測量法，這種方法得到的溫升曲線忽略了電流切換對結溫的影響降低了準確性，并且由于測量的時間過長而使得實用性較差。

【發明內容】

[0006]為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種測量發光二極管熱特性的方法及其裝置，縮短了測量時間，并且提高測量精度。
[0007]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0008]本發明公開了一種測量發光二極管熱特性的方法，包括定標階段和測量階段，所述定標階段包括:將所述發光二極管多次分別置于不同的環境溫度下，每次分別使所述發光二極管通入電流脈沖，并測量所述發光二極管兩端的電壓，得到所述不同的溫度下所述發光二極管的電壓電流特性曲線；所述測量階段包括:將所述發光二極管置于一恒定的環境溫度下，使所述發光二極管通入工作電流，在所述發光二極管的結溫上升過程中連續測量所述發光二極管兩端的電壓和通過的電流；根據所述定標階段的特性曲線以及所述測量階段測得的電壓值和電流值，求得所述發光二極管的溫升曲線。
[0009]進一步地，所述定標階段還包括:根據所述不同的溫度下所述發光二極管的電壓電流特性曲線，轉化為所述發光二極管在不同電流下的電壓溫度特性曲線。
[0010]更進一步地，測量發光二極管熱特性的方法還包括數據處理階段，根據所述溫升曲線得到所述發光二極管的結構函數曲線，根據所述結構函數曲線確定所述發光二極管從芯片到基板的各層材料的熱阻和熱容。
[0011]更進一步地，所述溫升曲線是通過濾波、反卷積、網絡變換和微積分方法處理得到所述發光二極管的結構函數曲線。
[0012]更進一步地，所述電流脈沖的電流范圍為O至所述工作電流。
[0013]更進一步地，所述電流脈沖的占空比為KT1?10_6。
[0014]更進一步地，所述電流脈沖的脈沖寬度為0.1?10 μ S。
[0015]本發明還公開了一種測量發光二極管熱特性的裝置，用于前面所述的方法，包括脈沖恒流控制電路、數據采集器和控溫單元，其中:所述脈沖恒流控制電路連接發光二極管，為所述發光二極管提供驅動電流，使所述發光二極管能通入電流脈沖或者工作電流；所述控溫單元用于控制所述發光二極管所置于的環境溫度；所述數據采集器連接所述脈沖恒流控制電路和所述發光二極管，用于采集所述發光二極管的電流及電壓值。
[0016]進一步地，所述控溫單元包括控溫器和恒溫器，其中所述控溫器連接所述恒溫器，并且控制所述恒溫器中的溫度；所述發光二極管置于所述恒溫器中。
[0017]本發明的有益效果是:
[0018]本發明提供的測量發光二極管熱特性的方法是采用動態定標-靜態測量法，來得到發光二極管的溫升曲線。在定標階段，測量不同溫度下電流與電壓的函數關系，據此可以得到工作電流附近任意一個電流值下發光二極管芯片電壓與結溫的函數關系；而在測量階段，真正實現了靜態測量，不需要使通過發光二極管芯片的電流在工作電流與定標電流之間跳變，更不需要等待發光二極管芯片冷卻后再進行下一次的測量，大大縮短了測量時間，提高了溫升曲線的準確性；而且由于在定標階段已經得出不同溫度下電壓與電流的關系，則在測量階段只要知道發光二極管芯片的電壓與電流值，就可以根據定標的數據測量其結溫，從而可以實現實時測量。
[0019]本發明所提供的測量發光二極管熱特性的裝置，包括脈沖恒流控制電路、數據采集器和控溫單元，使得發光二極管可以在不同的溫度下分別得出電壓電流曲線，從而實現動態定標-靜態測量法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是現有的正向電壓法中發光二極管的驅動電流及結溫的變化曲線和對應關系;
[0021]圖2是現有的動態測量法中發光二極管的驅動電流及結溫的變化曲線和對應關系;
[0022]圖3是本發明實施例的測量發光二極管熱特性的裝置示意圖；
[0023]圖4是本發明實施例的測量發光二極管熱特性的方法中發光二極管的驅動電流及結溫的變化曲線和對應關系；
[0024]圖5是圖4中的定標階段得到的不同溫度下的電流-電壓曲線；
[0025]圖6是根據圖5得到的不同電流下的電壓-溫度曲線。
【具體實施方式】
[0026]下面對照附圖并結合優選的實施方式對本發明作進一步說明。
[0027]根據本發明的實施例，測量發光二極管熱特性的裝置包括脈沖恒流控制電路、數據采集器和控溫單元，其中脈沖恒流控制電路連接發光二極管，為發光二極管提供驅動電流，使發光二極管能通入電流脈沖或者工作電流；控溫單元用于控制發光二極管所置于的環境溫度；數據采集器連接脈沖恒流控制電路和發光二極管，用于采集發光二極管的電流及電壓值。
[0028]如圖3所示，為本發明的測量發光二極管熱特性裝置的實例，該裝置包括脈沖恒流控制電路31、數據采集器32、控溫器33、恒溫器34、恒流源35和計算機36，該裝置用于測量發光二極管30的熱特性。如圖3所示，計算機36連接控溫器33和數據采集器32，數據采集器32連接脈沖恒流電路31和發光二極管30。控溫器33通過控制恒溫器34的溫度來控制置于恒溫器34內的發光二極管30的環境溫度，脈沖恒流控制電路31可以保證通過發光二極管30的恒流快速接通，同時為發光二極管30提供驅動電流；數據采集器32主要用于發光二極管30與計算機36的橋梁作用，便于發光二極管電流電壓的數據采集以及通過電流幅值及開關的控制。進一步地，脈沖恒流控制電路31采用高速窄脈沖恒流控制電路，使得通過發光二極管30的恒流在I μ s內高速接通。
[0029]以下結合圖4至圖6來闡述本發明的測量發光二極管熱特性的方法，如圖4所示為采用本發明的測量發光二極管熱特性的方法中發光二極管的驅動電流及結溫的變化曲線和對應關系示意圖，本發明所采用的測量發光二極管熱特性的方法包括以下步驟:
[0030]首先是定標階段。A:設置控溫器33，使發光二極管30的環境溫度為某一恒定溫度:設置脈沖恒流電路31通入的脈沖電流的電流范圍在O至工作電流之間；C:通過脈沖恒流電路31使發光二極管30通過脈沖寬度為10 μ s的電流脈沖，并同時測量通過發光二極管30的電壓與電流值；D:根據所得到的數據，擬合得到不同溫度下電壓電流的特性曲線，如圖5所示，擬合得到環境溫度T分別為30°C、50°C、7(rC下的電壓電流特性曲線；然后進行數據轉換，即擬合出如圖6所示的在電流分別為100mA、200mA、300mA下的結溫與電壓的線性關系。
[0031]然后是測量階段。本發明采用靜態測量法，使發光二極管處于一穩定環境溫度下，設置工作電流，使發光二極管通電，通電后連續同步地測量發光二極管的電壓電流值，直到發光二極管的結溫不再上升為止。根據測量的電壓電流值，以及定標階段中得到的不同溫度下的電壓電流特性曲線，求得發光二極管芯片的溫升曲線。
[0032]最后是數據處理階段。得到發光二極管芯片的溫升曲線后，利用結構函數法，經過濾波、反卷積、網絡變換以及微積分等處理得到發光二極管的結溫結構函數圖，根據結構函數圖，便可讀出發光二極管從PN結到基板隔層材料的熱阻和熱容值。
[0033]其中在定標階段，電流脈沖可能會引起發光二極管的結溫變化，而本發明人研究發現，通過精確控制電流脈沖的寬度，可以避免發光二極管的結溫變化。當開關閉合后，發光二極管通過恒定電流開始，可認為熱量僅在芯片層傳輸，當電流脈沖寬度t=10 μ s時，二極管芯片的溫度上升值ΛΤ=0.023Κ，即電流引起的發光二極管芯片的溫度變化小于
0.1°C，在誤差范圍內。所 以只要能在?ομ S內完成測量，就可以忽略輸入的熱功率對結溫升高的影響；進一步地，重復測量時電流脈沖的占空比為KT1~10_6時，輸入的熱功率對結溫升高的影響更小。故在本發明的優選實施例中在定標階段發光二極管所輸入的電流脈沖的脈沖寬度為0.1~10 μ S，占空比為10-1~10_6。
[0034]與現有技術相比，通過本發明的測量發光二極管熱特性的方法通過靜態測量就能得到發光二極管溫升曲線，不需要使通過發光二極管芯片的電流在工作電流與定標電流之間進行跳變，從而提高了溫升取芯的準確性，也實現了實時測量；另外也不需要等待發光二極管芯片冷卻后進行下一次的測量，只需連續測量直至結溫不再上升為止，從而大大縮短了測量時間。
[0035]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬【技術領域】的技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種測量發光二極管熱特性的方法，包括定標階段和測量階段，其特征在于: 所述定標階段包括:將所述發光二極管多次分別置于不同的環境溫度下，每次分別使所述發光二極管通入電流脈沖，并測量所述發光二極管兩端的電壓，得到所述不同的溫度下所述發光二極管的電壓電流特性曲線； 所述測量階段包括:將所述發光二極管置于一恒定的環境溫度下，使所述發光二極管通入工作電流，在所述發光二極管的結溫上升過程中連續測量所述發光二極管兩端的電壓和通過的電流；根據所述定標階段的特性曲線以及所述測量階段測得的電壓值和電流值，求得所述發光二極管的溫升曲線。
2.如權利要求1所述的測量發光二極管熱特性的方法，其特征在于，所述定標階段還包括:根據所述不同的溫度下所述發光二極管的電壓電流特性曲線，轉化為所述發光二極管在不同電流下的電壓溫度特性曲線。
3.如權利要求1所述的測量發光二極管熱特性的方法，其特征在于，還包括數據處理階段，根據所述溫升曲線得到所述發光二極管的結構函數曲線，根據所述結構函數曲線確定所述發光二極管從芯片到基板的各層材料的熱阻和熱容。
4.如權利要求3所述的測量發光二極管熱特性的方法，其特征在于，所述溫升曲線是通過濾波、反卷積、網絡變換和微積分方法處理得到所述發光二極管的結構函數曲線。
5.如權利要求1所述的測量發光二極管熱特性的方法，其特征在于，所述電流脈沖的電流范圍為O至所述工作電流。
6.如權利要求1所述的測量發光二極管熱特性的方法，其特征在于，所述電流脈沖的占空比為ΙΟ—1?10_6。
7.如權利要求1至6任一項所述的測量發光二極管熱特性的方法，其特征在于，所述電流脈沖的脈沖寬度為0.1?IO μ S。
8.一種測量發光二極管熱特性的裝置，用于權利要求1至7任一項所述的方法，其特征在于，包括脈沖恒流控制電路、數據采集器和控溫單元，其中: 所述脈沖恒流控制電路連接發光二極管，為所述發光二極管提供驅動電流，使所述發光二極管能通入電流脈沖或者工作電流； 所述控溫單元用于控制所述發光二極管所置于的環境溫度； 所述數據采集器連接所述脈沖恒流控制電路和所述發光二極管，用于采集所述發光二極管的電流及電壓值。
9.如權利要求8所述的測量發光二極管熱特性的裝置，其特征在于，所述控溫單元包括控溫器和恒溫器，其中所述控溫器連接所述恒溫器，并且控制所述恒溫器中的溫度；所述發光二極管置于所述恒溫器中。
【文檔編號】G01R31/26GK103995223SQ201410146466
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月11日 優先權日:2014年4月11日
【發明者】錢可元, 高亞楠 申請人:清華大學深圳研究生院