一種測量發(fā)光二極管熱特性的方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測量發(fā)光二極管熱特性的方法及其裝置，測量發(fā)光二極管熱特性的方法包括動態(tài)定標階段和靜態(tài)測量階段，動態(tài)定標階段將發(fā)光二極管多次分別置于不同的環(huán)境溫度下通入電流脈沖，測得不同的溫度下發(fā)光二極管的電壓電流特性曲線，靜態(tài)測量階段將發(fā)光二極管通入工作電流，測得發(fā)光二極管的電壓與電流值，再結(jié)合不同的溫度下發(fā)光二極管的電壓電流特性曲線求得發(fā)光二極管的溫升曲線；測量發(fā)光二極管熱特性的裝置包括脈沖恒流控制電路、數(shù)據(jù)采集器和控溫單元。本發(fā)明所提供的測量發(fā)光二極管熱特性的方法結(jié)合采用動態(tài)定標和靜態(tài)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(fā)光二極管熱特性的方法及其裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)光二極管測量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種發(fā)光二極管熱特性測量的方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED)由于體積小、光效高、壽命長等優(yōu)點，正逐漸取代白熾燈、日光燈等傳統(tǒng)光源，成為新一代綠色照明光源。發(fā)光二極管的發(fā)光機理是電子從高能帶到低能帶躍遷發(fā)射光子，而不是像白熾燈通過熱輻射的方式發(fā)光的，其發(fā)光效率提高很多。目前發(fā)光二極管的發(fā)光效率已達1001m/W，但外量子效率還不到50%，這意味著發(fā)光二極管發(fā)光效率仍有很大的提升空間。發(fā)光過程中大部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，如果其熱阻過大，熱能不能迅速地傳導出去，發(fā)光二極管芯片PN結(jié)溫度就會升高，這會導致發(fā)光二極管發(fā)光的中心波長發(fā)生漂移以及出光效率和使用壽命降低。所以降低發(fā)光二極管結(jié)殼熱阻是影響發(fā)光二極管進一步發(fā)展的重要課題，而有效的熱管理首先需要更好的測量發(fā)光二極管熱特性的技術(shù)。
[0003]目前常用的能較準確測量發(fā)光二極管熱阻值的方法為正向電壓法。其原理是通過PN結(jié)的電流為一定值時，其兩端電壓與結(jié)溫近似成線性關(guān)系，測得這關(guān)系曲線后反過來就可根據(jù)定值電流下的結(jié)電壓得到結(jié)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(fā)光二極管在不同的恒定環(huán)境溫度下，即給定發(fā)光二極管的PN結(jié)溫度，測出在給定電流(定標電流)下的結(jié)電壓。為了避免額外的結(jié)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(jié)溫與電壓的關(guān)系曲線。測量過程中，保持發(fā)光二極管的環(huán)境溫度不變，通入工作電流并保持足夠長的時間，確保結(jié)溫到達穩(wěn)定，這時迅速將通入的電流切換為定標電流值，測量發(fā)光二極管的端電壓，根據(jù)定標過程得到的結(jié)溫與電壓的關(guān)系即可得到發(fā)光二極管的結(jié)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(fā)光二極管結(jié)殼之間總熱阻，而不能得到發(fā)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(tài)測量法。第一步仍然是定標過程，測量恒流下結(jié)溫與電壓的線性關(guān)系。而第二步是在保持恒定的環(huán)境溫度下，測量發(fā)光二極管從通入工作電流到結(jié)溫不再發(fā)生變化這段時間內(nèi)的溫升曲線，再經(jīng)過連續(xù)化、反卷積、網(wǎng)絡(luò)變換、微積分等一系列數(shù)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(fā)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(fā)光二極管電壓后又立即切換到工作電流，繼續(xù)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(nèi)發(fā)光二極管的結(jié)溫必然會下降)，而且電流瞬間切換會產(chǎn)生電擾動，對結(jié)溫測量的準確性產(chǎn)生影響。以此方式切換電流的動態(tài)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(shù)據(jù)采集，然后等到結(jié)溫降到環(huán)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(shù)據(jù)。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(fā)光二極管從芯片到鋁基板各層熱阻值就要得到發(fā)光二極管從通入工作電流時刻起到結(jié)溫穩(wěn)定這段時間內(nèi)結(jié)溫的變化曲線，即溫升曲線。溫升曲線通過結(jié)構(gòu)函數(shù)法，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理即可得到發(fā)光二極管各層熱阻值。而目前測量發(fā)光二極管溫升曲線主要采用的是上述靜態(tài)定標-動態(tài)測量法，這種方法得到的溫升曲線忽略了電流切換對結(jié)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(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種測量發(fā)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(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明公開了一種測量發(fā)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(fā)光二極管多次分別置于不同的環(huán)境溫度下，每次分別使所述發(fā)光二極管通入電流脈沖，并測量所述發(fā)光二極管兩端的電壓，得到所述不同的溫度下所述發(fā)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(fā)光二極管置于一恒定的環(huán)境溫度下，使所述發(fā)光二極管通入工作電流，在所述發(fā)光二極管的結(jié)溫上升過程中連續(xù)測量所述發(fā)光二極管兩端的電壓和通過的電流；根據(jù)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(fā)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(jù)所述不同的溫度下所述發(fā)光二極管的電壓電流特性曲線，轉(zhuǎn)化為所述發(fā)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(fā)光二極管熱特性的方法還包括數(shù)據(jù)處理階段，根據(jù)所述溫升曲線得到所述發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，根據(jù)所述結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線確定所述發(fā)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(wǎng)絡(luò)變換和微積分方法處理得到所述發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)函數(shù)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(fā)明還公開了一種測量發(fā)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(shù)據(jù)采集器和控溫單元，其中:所述脈沖恒流控制電路連接發(fā)光二極管，為所述發(fā)光二極管提供驅(qū)動電流，使所述發(fā)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(fā)光二極管所置于的環(huán)境溫度；所述數(shù)據(jù)采集器連接所述脈沖恒流控制電路和所述發(fā)光二極管，用于采集所述發(fā)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(fā)光二極管置于所述恒溫器中。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018]本發(fā)明提供的測量發(fā)光二極管熱特性的方法是采用動態(tài)定標-靜態(tài)測量法，來得到發(fā)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(shù)關(guān)系，據(jù)此可以得到工作電流附近任意一個電流值下發(fā)光二極管芯片電壓與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系；而在測量階段，真正實現(xiàn)了靜態(tài)測量，不需要使通過發(fā)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(fā)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(jīng)得出不同溫度下電壓與電流的關(guān)系，則在測量階段只要知道發(fā)光二極管芯片的電壓與電流值，就可以根據(jù)定標的數(shù)據(jù)測量其結(jié)溫，從而可以實現(xiàn)實時測量。
[0019]本發(fā)明所提供的測量發(fā)光二極管熱特性的裝置，包括脈沖恒流控制電路、數(shù)據(jù)采集器和控溫單元，使得發(fā)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(xiàn)動態(tài)定標-靜態(tài)測量法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是現(xiàn)有的正向電壓法中發(fā)光二極管的驅(qū)動電流及結(jié)溫的變化曲線和對應關(guān)系;
[0021]圖2是現(xiàn)有的動態(tài)測量法中發(fā)光二極管的驅(qū)動電流及結(jié)溫的變化曲線和對應關(guān)系;
[0022]圖3是本發(fā)明實施例的測量發(fā)光二極管熱特性的裝置示意圖；
[0023]圖4是本發(fā)明實施例的測量發(fā)光二極管熱特性的方法中發(fā)光二極管的驅(qū)動電流及結(jié)溫的變化曲線和對應關(guān)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(jù)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(jié)合優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明作進一步說明。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的實施例，測量發(fā)光二極管熱特性的裝置包括脈沖恒流控制電路、數(shù)據(jù)采集器和控溫單元，其中脈沖恒流控制電路連接發(fā)光二極管，為發(fā)光二極管提供驅(qū)動電流，使發(fā)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(fā)光二極管所置于的環(huán)境溫度；數(shù)據(jù)采集器連接脈沖恒流控制電路和發(fā)光二極管，用于采集發(fā)光二極管的電流及電壓值。
[0028]如圖3所示，為本發(fā)明的測量發(fā)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(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)采集器32，數(shù)據(jù)采集器32連接脈沖恒流電路31和發(fā)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(nèi)的發(fā)光二極管30的環(huán)境溫度，脈沖恒流控制電路31可以保證通過發(fā)光二極管30的恒流快速接通，同時為發(fā)光二極管30提供驅(qū)動電流；數(shù)據(jù)采集器32主要用于發(fā)光二極管30與計算機36的橋梁作用，便于發(fā)光二極管電流電壓的數(shù)據(jù)采集以及通過電流幅值及開關(guān)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(fā)光二極管30的恒流在I μ s內(nèi)高速接通。
[0029]以下結(jié)合圖4至圖6來闡述本發(fā)明的測量發(fā)光二極管熱特性的方法，如圖4所示為采用本發(fā)明的測量發(fā)光二極管熱特性的方法中發(fā)光二極管的驅(qū)動電流及結(jié)溫的變化曲線和對應關(guān)系示意圖，本發(fā)明所采用的測量發(fā)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(shè)置控溫器33，使發(fā)光二極管30的環(huán)境溫度為某一恒定溫度:設(shè)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(fā)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(fā)光二極管30的電壓與電流值；D:根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)，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(huán)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即擬合出如圖6所示的在電流分別為100mA、200mA、300mA下的結(jié)溫與電壓的線性關(guān)系。
[0031]然后是測量階段。本發(fā)明采用靜態(tài)測量法，使發(fā)光二極管處于一穩(wěn)定環(huán)境溫度下，設(shè)置工作電流，使發(fā)光二極管通電，通電后連續(xù)同步地測量發(fā)光二極管的電壓電流值，直到發(fā)光二極管的結(jié)溫不再上升為止。根據(jù)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(fā)光二極管芯片的溫升曲線。
[0032]最后是數(shù)據(jù)處理階段。得到發(fā)光二極管芯片的溫升曲線后，利用結(jié)構(gòu)函數(shù)法，經(jīng)過濾波、反卷積、網(wǎng)絡(luò)變換以及微積分等處理得到發(fā)光二極管的結(jié)溫結(jié)構(gòu)函數(shù)圖，根據(jù)結(jié)構(gòu)函數(shù)圖，便可讀出發(fā)光二極管從PN結(jié)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(fā)光二極管的結(jié)溫變化，而本發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，通過精確控制電流脈沖的寬度，可以避免發(fā)光二極管的結(jié)溫變化。當開關(guān)閉合后，發(fā)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(fā)光二極管芯片的溫度變化小于
0.1°C，在誤差范圍內(nèi)。所 以只要能在?ομ S內(nèi)完成測量，就可以忽略輸入的熱功率對結(jié)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(jié)溫升高的影響更小。故在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中在定標階段發(fā)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(xiàn)有技術(shù)相比，通過本發(fā)明的測量發(fā)光二極管熱特性的方法通過靜態(tài)測量就能得到發(fā)光二極管溫升曲線，不需要使通過發(fā)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(xiàn)了實時測量；另外也不需要等待發(fā)光二極管芯片冷卻后進行下一次的測量，只需連續(xù)測量直至結(jié)溫不再上升為止，從而大大縮短了測量時間。
[0035]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)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(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種測量發(fā)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(fā)光二極管多次分別置于不同的環(huán)境溫度下，每次分別使所述發(fā)光二極管通入電流脈沖，并測量所述發(fā)光二極管兩端的電壓，得到所述不同的溫度下所述發(fā)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(fā)光二極管置于一恒定的環(huán)境溫度下，使所述發(fā)光二極管通入工作電流，在所述發(fā)光二極管的結(jié)溫上升過程中連續(xù)測量所述發(fā)光二極管兩端的電壓和通過的電流；根據(jù)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(fā)光二極管的溫升曲線。
2.如權(quán)利要求1所述的測量發(fā)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(jù)所述不同的溫度下所述發(fā)光二極管的電壓電流特性曲線，轉(zhuǎn)化為所述發(fā)光二極管在不同電流下的電壓溫度特性曲線。
3.如權(quán)利要求1所述的測量發(fā)光二極管熱特性的方法，其特征在于，還包括數(shù)據(jù)處理階段，根據(jù)所述溫升曲線得到所述發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，根據(jù)所述結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線確定所述發(fā)光二極管從芯片到基板的各層材料的熱阻和熱容。
4.如權(quán)利要求3所述的測量發(fā)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(wǎng)絡(luò)變換和微積分方法處理得到所述發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線。
5.如權(quán)利要求1所述的測量發(fā)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(quán)利要求1所述的測量發(fā)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(quán)利要求1至6任一項所述的測量發(fā)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(fā)光二極管熱特性的裝置，用于權(quán)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(shù)據(jù)采集器和控溫單元，其中: 所述脈沖恒流控制電路連接發(fā)光二極管，為所述發(fā)光二極管提供驅(qū)動電流，使所述發(fā)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(fā)光二極管所置于的環(huán)境溫度； 所述數(shù)據(jù)采集器連接所述脈沖恒流控制電路和所述發(fā)光二極管，用于采集所述發(fā)光二極管的電流及電壓值。
9.如權(quán)利要求8所述的測量發(fā)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(fā)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(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】錢可元, 高亞楠 申請人:清華大學深圳研究生院