CN102004028A - 一种检测半导体发光二极管封装结构有效散热性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测半导体发光二极管封装结构有效散热性的方法。本发明提出了基于光谱方法的半导体发光二极管结温与时间依赖关系获得半导体发光二极管封装结构有效散热性的好坏的新方法。通过光学测量方法得到温度和时间的动态曲线，由指数拟合该曲线来获得表征该封装结构有效散热性的等效散热系数。本发明可以简单方便的确定半导体发光二极管封装结构有效散热性，对于寻找最优化的封装材料和封装结构，提高发光二极管的热可靠性和节约成本具有重要意义。

Description

一种检测半导体发光二极管封装结构有效散热性的方法

技术领域

本发明涉及半导体发光二极管(LED)测试技术，特别是指一种检测半导体发光二极管封装结构有效散热性的方法。

技术背景

LED是一种注入电致发光器件，在外加电场的作用下，电子和空穴的辐射复合将一部分能量转化为光能，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能量转化为热能。对于目前技术成熟的功率型LED，其电光装换效率也仅为30％左右，即输入的电能有70％左右都转化成了热能，对于半导体器件，随着温度的变化，其特性会有明显的变化。特别是LED，结温的升高会导致器件光性能的变化与衰减，也导致LED半导体材料的缺陷增殖加速，降低材料的可靠性。这种变化主要体现在三个方面：1)、减少LED的内量子效率；2)、缩短器件的寿命；3)、造成LED发出光的主波长的偏移，从而导致光源的颜色发生偏移。随着器件P-N结的温度的上升，白光LED的发光的主波长会向长波方向移动。统计资料表明：在100℃的温度下，波长可以红移4-9nm，从而导致荧光粉吸收率下降，也会导致LED输出光通量的减少。对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布，芯片的失效率也会上升。研究表明：当温度超过一定值，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度上升，可靠性会迅速下降。

散热问题成为严重制约半导体LED发展和应用的瓶颈，在发光二极管的早期应用中，由于功率比较低，产生的热量很少，散热问题不需要考虑。随着高亮度单色和白光二极管的出现，将发光二极管应用于日常照明成为一种趋势，而将功率型发光二极管用于照明，需要解决的一个最主要的问题就是散热。

而改善散热最直接的方法就是通过良好的封装结构把LED产生的热量发射出去。要获得一种好的封装结构，必须有一个好的检测方法，那么，找到一种能够即快速又简单的测量半导体发光二极管封装结构有效散热性的方法显得尤为重要。这样能够快速的推进LED封装结构的研究和改良，在短时间内研发出好的封装结构，进而大幅度改善LED的散热特性。目前，还没有一种能够简单、有效的测量方法。

发明内容

本发明的目的就是要提出一种检测半导体发光二极管封装结构有效散热性的方法。

本发明是通过测量已封装好的LED的温升曲线来确定其封装结构的有效散热性。

本发明的具体步骤如下：

1、采用具有脉冲功能和直流输出功能的电源驱动发光二极管灯具，将封装好的半导体LED灯具接上该工作电源，让电源处于脉冲供电状态，其中脉冲电源功能是脉冲宽度在10微秒以下，脉冲周期在1秒以上，脉冲电流幅度与灯具正常工作时的直流电流值相同，这样确保灯具不会形成其中发光二极管结温变化，同时保证脉冲驱动下的发光二极管发光光谱与正常工作状态下的光谱特征一致。再将LED灯具的发光面聚焦到常规的可见光光谱仪的入射狭缝中，使得LED灯具能够作为光谱仪的一种光源，这样光谱仪就能够在LED灯具发出光时获得LED灯具的发光光谱。利用脉冲电源供电方式获得参考光谱。

2、将供电电源处于直流供电状态，使得LED灯具能够按正常工作模式工作，初始时电源开关处于关断状态，同时光谱仪处在可以随时获取LED灯具发光光谱的工作状态；

3、开启LED灯具的工作电源，使得LED灯具开始正常发光，光谱仪就记录下自灯具开始发光起往后各个时刻的灯具发光光谱，按记录的时间序列给记录的光谱编号，每个光谱都有对应着的测量时间记录，测量时间一般延续60秒左右，即保证封装好的LED灯具达到了正常工作状态下的结温稳定状态，这样可以保证LED灯具由于加了工作电流后LED结温上升的全部过程都被记录下来了；

4、采用中国发明专利申请号为200910055335.2的“一种LED照明灯具中芯片结温的检测方法”中提出的光谱处理方法，获得步骤3中每条光谱相对步骤1中获得的参考光谱测量每个时刻结温，其中参考光谱对应的结温就是环境温度；

5、由步骤4获得的每个时刻对应的结温为纵坐标，时间上对应的时刻为横坐标，形成了封装结构中LED器件结温的温升曲线，该温升曲线是一种典型的指数饱和特征的形状。

6、对曲线用公式T＝Ae^-Dt+B进行拟合计算，其中T和t表示结温和时间，A、D和B是拟合参量。通过常规的最小二乘法拟合后便可以获得，得到该封装结构有效散热系数D。D值的大小反应了了该封装结构有效散热性的好坏。D值越大，说明该结构散热性越好。

本发明的方法具有操作简单，速度快的特点，而且不会造成浪费，LED在测量完成后仍可作为商品出售。

附图说明

图1为本发明测得的灯具1样品结温的温升曲线，由黑线表示，用说明书中给出的指数公式拟合得到的曲线由红线给出，通过拟合获得了散热效果标志指数D值为0.09。

图2为本发明测得的灯具2样品结温的温升曲线，由黑线表示，用说明书中给出的指数公式拟合得到的曲线由红线给出，通过拟合获得了散热效果标志指数D值为0.01。

具体实施方式

以下通过实施例及附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是通过拟合半导体LED结温的温升曲线得到有效散热系数。以下是具体的实施案例，相关的实施方式可以在实施案例中得到理解：

实施例1：

由100多颗LED芯片封装成的LED灯具为检测对象，称其为灯具1，具体测量步骤如下：

本发明的具体步骤如下：

1、采用具有脉冲功能和直流输出功能的恒流电源，与灯具1相连接，将电源置于脉冲供电模式，其中脉冲电源功能是脉冲宽度为5微秒，脉冲周期为1秒，脉冲电流幅度与灯具正常工作时的直流电流值相同为0.5安培，这样确保灯具不会形成其中发光二极管结温变化，同时保证脉冲驱动下的发光二极管发光光谱与正常工作状态下的光谱特征一致。将小型光谱分辨率为1纳米的可见光光谱仪的入射狭缝与灯具1对接好，开启光谱仪，使得光谱仪处在可以随时获取LED灯具发光光谱的工作状态；这样光谱仪就能够在LED灯具发出光时获得LED灯具的发光光谱。由此获得的光谱就是整个测量过程中的参考光谱，该光谱对应的结温就是灯具测量周边环境的温度，在本实施例中为17摄氏度。

2、将供电电源处于直流供电状态，一旦接通，其输出电流为0.5安培，使得灯具1能够按正常工作模式工作，初始时电源开关处于关断状态，同时光谱仪处在可以随时获取LED灯具发光光谱的工作状态；电源开启给灯具1通电，使得灯具1开始正常发光，光谱仪就记录下了自灯具开始发光起往后各个时刻的灯具发光光谱，在本次测量中记录的时间基本上是每隔30毫秒测量一条光谱，同时把每个光谱对应着的测量时间记录，测量时间延续了60秒，即保证封装好的LED灯具1达到了正常工作状态下的结温稳定状态，这样可以保证LED灯具1由于加了工作电流后LED结温上升的全部过程都被记录下来了；

3、采用专利申请号为200910055335.2的“一种LED照明灯具中芯片结温的检测方法”中提出的光谱处理方法，可以获得步骤2中每条光谱相对步骤1中参考光谱获得的每个测量时刻LED器件结温；

4、由步骤3获得的每个时刻对应的结温为纵坐标，时间上对应的时刻为横坐标，形成了封装结构中LED器件结温的温升曲线，如图1所示，其中纵坐标就是结温T，单位是摄氏度，横坐标是时间t，单位是秒。显然该温升曲线是一种典型的指数饱和特征的形状；

5、对曲线用公式T＝Ae^-Dt+B进行拟合计算，其中T和t表示结温和时间，A、D和B是拟合参量。通过常规的最小二乘法拟合后便可以获得，图1中的红线是拟合曲线，有此拟合曲线得到了灯具1封装结构有效散热系数D，对于灯具1，其D值为0.09。有此D值给出了表征灯具1散热的好坏指数。

实施例2：

由300多颗与灯具1内使用的LED芯片相同的芯片封装成的LED灯具为检测对象，称其为灯具2，具体测量步骤与实施例1完全相同，最终得到的灯具2封装结构有效散热系数D值为0.01。有此D值给出了灯具2散热的好坏指数小于灯具1，为此可以认为灯具1的封装散热效果明显优于灯具2。

以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的范围不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种检测半导体发光二极管封装结构有效散热性的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)采用具有脉冲功能和直流输出功能的电源驱动发光二极管灯具，将封装好的半导体LED灯具接上该工作电源，让电源处于脉冲供电状态，其中脉冲电源功能是脉冲宽度在10微秒以下，脉冲周期在1秒以上，脉冲电流幅度与灯具正常工作时的直流电流值相同；将LED灯具的发光面聚焦到常规的可见光光谱仪的入射狭缝中，使得LED灯具能够作为光谱仪的一种光源，这样光谱仪就能够在LED灯具发出光时获得LED灯具的发光光谱，利用脉冲电源供电方式获得参考光谱；

(2)将具有脉冲功能和直流输出功能的电源处于直流供电状态，使得LED灯具能够按正常工作模式工作，初始时电源开关处于关断状态，同时光谱仪处在可以随时获取LED灯具发光光谱的工作状态；

(3)开启LED灯具的工作电源，使得LED灯具开始正常发光，光谱仪就记录下自灯具开始发光起往后各个时刻的灯具发光光谱，按记录的时间序列给记录的光谱编号，每个光谱都有对应着的测量时间记录，测量时间延续60秒左右，即保证封装好的LED灯具达到了正常工作状态下的结温稳定状态，这样可以保证LED灯具由于加了工作电流后LED结温上升的全部过程都被记录下来了；

(4)采用中国发明专利“一种LED照明灯具中芯片结温的检测方法”中提出的光谱处理方法，获得步骤3中每条光谱相对步骤1中获得的参考光谱测量每个时刻结温，其中参考光谱对应的结温就是环境温度；

(5)由步骤4获得的每个时刻对应的结温为纵坐标，时间上对应的时刻为横坐标，形成了封装结构中LED器件结温的温升曲线，该温升曲线是一种典型的指数饱和特征的形状；

(6)对曲线用公式T＝Ae^-Dt+B进行拟合计算，其中T和t表示结温和时间，A、D和B是拟合参量；通过常规的最小二乘法拟合获得，其中得到拟合参量D为该封装结构有效散热系数。

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