CN103234656B - 一种发光二极管结温的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管结温的测量方法，涉及发光二极管，尤其是涉及一种发光二极管结温的测量方法。提供对发光二极管没有热效应影响，测量装置简单、操作方便的一种发光二极管结温的测量方法。搭建结温测量装置；由温度控制源表设定一组温度值，设定电压值，按所设定的一组温度值和所设定的电压值，测量得到不同温度值下的发光二极管的正向电流值；先画出电流对数与温度倒数的关系图，然后进行直线拟合；调节数字电源表的输出电压，使发光二极管正常发光，然后停止发光二极管发光；计算得到与各个电流值对应的结温值，再通过结温与时间关系式进行拟合，得到结温拟合曲线图；通过该图即可得到不同时间点对应发光二极管工作状态下结温值。

Description

一种发光二极管结温的测量方法

技术领域

本发明涉及发光二极管，尤其是涉及一种发光二极管结温的测量方法。

背景技术

近年来，发光二极管（LED）技术得到了快速发展，广泛应用于背光源、交通信号灯及通用照明等领域([1]Sameer Chhajed,Wonseok Lee,Jaehee Cho,E.Fred Schubert,and JongKyu Kim,Appl.Phys.Lett.98,071102(2011)；[2]Dong-Yul Lee,Sang-Heon Han,Dong-JuLee,Jeong Wook Lee,Dong-Joon Kim,Young Sun Kim,and Sung-Tae Kim,Appl.Phys.Lett.100,041119(2012)；[3]Toshiharu Makino,Kiyoshi Yoshino,Norihiro Sakai,KoujiUchida,Satoshi Koizumi,Hiromitsu Kato,Daisuke Takeuchi,Masahiko Ogura,KazuhiroOyama,Tsubasa Matsumoto,Hideyo Okushi,and Satoshi Yamasaki,Appl.Phys.Lett.99,061110(2011))。由于半导体器件，特别是功率半导体器件工作时，会产生大量的热，致使发光二极管PN结处的温度升高，PN结温度上升会引起发光二极管光学、电学和热学性能的变化，过高的结温还会导致封装材料(例如环氧树脂)、荧光粉物理性能变坏，加速发光二极管发光衰变乃至失效。影响半导体器件温升的因素，一方面与器件工作时产生的热量有关，在半导体发光器件中与发光效率有关；另一方面与器件的封装材料有关，封装材料的导热性越好，温升越低。准确测量出发光二极管器件工作时PN结处的温度，一方面可以分析器件的材料质量和封装散热特性，另一方面也是实际应用设计中一个重要的参数。

目前，测量半导体结温的方法有正向电压法，峰值波长法，蓝白比法，红外摄像法，相对辐射度法和有限元计算法等。峰值波长法根据发光二极管辐射的峰值波长漂移与结温关系来算出结温，该法由于结温升高引起的峰值波长漂移并不大，不可避免带来较大的误差([4]Y.Xi,J.Q.Xi,T.Gessmann,J.M.Shah,J.K.Kim,E.F.Schubert,A.J.Fischer,M.H.Crawford,K.H.A.Bogart,and A.A.Allerman,"Junction and carrier temperaturemeasurements in deep-ultraviolet light-emitting diodes using three differentmethods,"Appl.Phys.Lett.,vol.86,no.3,pp.031907,Jan.2005.)；蓝白比法是利用芯片的蓝光发光与荧光粉发光比例随结温变化的特性来获得结温，但该法仅适用于蓝光激发黄色荧光粉的白光半导体发光器件，对于其他发光二极管，如RGB三基色混合白色发光二极管和单色发光二极管，该方法就不适用了([5]Y.M.Gu and N.Narendran,"A non-contactmethod for determining junction temperature of phosphor-converted white LEDs,"inProc.3rd Int.Conf.Solid State Lighting,San Diego.,CA,2003,vol.5187,107-114.)。红外摄像法是红外测温仪测量半导体器件结温分布的方法，但只能测量未封装的裸露芯片，封装后的芯片必须拆封后才能进行测量，而且测量仪器昂贵。相对辐射度法是根据在恒流驱动半导体器件时，相对辐射强度随着结温升高而线性下降的关系来测量结温，但该法所需要的仪器更多。基于这些方法，目前已有不少相关专利出现，如中国科学院上海技术物理研究所根据峰值波长法发明的发光二极管照明灯具芯片结温检测方法([6]中国专利200910055335.2)，中山大学的半导体照明灯具结温分析测试系统及其测试方法([7]中国专利200910193716.7)。目前普遍采用的是正向电压法：首先在通正向小电流的条件下，用热沉控制发光二极管结温，测量不同PN结温度对应的正向电压，拟合出小电流下结电压与结温的线性关系。然后用大电流对发光二极管加热一段时间至其达到热稳定状态，迅速切换至小电流，并及时测量发光二极管正向电压，根据已获得的正向电压与结温的关系，将测得的电压转化为温度，从而得到结温变化量，从而进一步获得其它数据。这种电学测量方法由于在测量中引入了电流，会产生热量影响测量结果。

总体来说，现有的测量技术操作复杂，仪器价格昂贵，有的还带来一定的破坏性。

发明内容

本发明的主要目的是提供对发光二极管没有热效应影响，测量装置简单、操作方便的一种发光二极管结温的测量方法。

本发明包括以下步骤：

1）结温测量装置搭建：结温测量装置包括温控夹具、数字电源表、计算机和温度控制源表；温控夹具夹持待测发光二极管，数字电源表电源两极接待测发光二极管，数字电源表与计算机电连接，计算机与温度控制源表电连接，温度控制源表所配套的温度传感器和加热板均安装于温控夹具上；

2）由温度控制源表设定一组温度值，设定的一组温度值至少包含2个不同的温度值，该组温度值低于待测发光二极管芯片的失效温度，同时由数字电源表设定电压值，该电压值低于待测发光二极管的启动电压；

3）按所设定的一组温度值和所设定的电压值，分别测量得到不同温度值下的发光二极管的一组正向电流值；

4）通过步骤3）所测得的一组正向电流，先画出电流对数与温度倒数的关系图，然后通过下述公式（1）进行直线拟合，

$\ln \left(I\right)={\mathrm{\λ}}_1+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{T}---\left(1\right)$

得到λ₁和λ₂系数；式（1）中，ln(I)表示电流对数；T表示温度；λ₁为截距，表示拟合线上温度趋于无穷时的电流对数值；λ₂为斜率，表示电流对数与温度倒数的感应系数；

5）调节数字电源表的输出电压，使发光二极管正常发光，然后停止发光二极管发光；接着数字电源表按步骤2）所设定的电压值输出正向电压，立即连续测量并记录发光二极管的电流值，连续测量的时间直至电流值不变为止，再根据式（1）计算得到与各个电流值对应的结温值；

6）将步骤5）所得到的与各个电流值对应的结温值，通过结温与时间关系式（2）进行拟合，得到结温拟合曲线图；通过该图即可得到不同时间点对应发光二极管工作状态下结温值；

$T\left(t\right)=T_c+\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\exp (-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i})---\left(2\right)$

式（2）中，T(t)表示随时间t变化的结温值；T_c表示热沉温度；τ_i为半导体材料热容热阻的时间常数；A_i为与τ_i对应的结构部分达到稳态后对整体温差的贡献值；n为LED时间常数τ的个数。

在步骤1）中，所述温度传感器为电阻温度传感器；所述加热板为贝底埃加热板。与现有技术比较，本发明的有益效果如下：

计算机通过事先安排的指令温度控制源表的输出信号，通过温控夹具改变发光二极管的结温；计算机控制数字电源表给发光二极管施加加热电流；计算机控制数字电源表对发光二极管施加偏压，数字电源表测试电流并将结果反馈给计算机保存以便后期处理。可以测量出半导体芯片的结温，并得到发光二极管结构时间常数谱。发光二极管工作于正向小偏压时不发光，电流极小，避免了大电压正向工作状态下发光二极管测试时自带的热效应影响，对器件没有热效应的影响；发光二极管的正向小电压下的电流的对数与结温的倒数之间存在良好线性关系，把发光二极管从正向工作状态瞬间切换到正向小电压以获得电流并转化为结温，利用多指数拟合获得发光二极管降温曲线以及常数谱，由此可得到发光二极管工作状态下的结温。可通过多指数拟合瞬态结温曲线图，获得发光二极管封装的主要时间常数。

附图说明

图1为本发明实施例搭建的发光二极管结温测量装置及使用示意图。

图2为本发明实施例发光二极管结温测量电流信号与时间关系图。

图3为本发明实施例发光二极管的温度-电流关系曲线图。在图3中，发光二极管正向电压值分别设定为2.4V、2.5V、2.6V；标记■表示2.4V、●表示2.5V、▲表示2.6V；曲线a表示2.4V拟合线，曲线b表示2.5V拟合线，曲线c表示2.6V拟合线；横坐标为温度(开尔文温度)倒数（1000/K），纵坐标为电流对数。

图4为本发明实施例发光二极管从工作状态350mA瞬间切换到正向电压值2.4V开始所测的结温图（瞬态温度响应曲线图）。在图4中，横坐标为时间/s，纵坐标为温度/K；R²=0.998。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所述测量方法，包括以下步骤：

1）结温测量装置搭建

如图1所示，结温测量装置设有温控夹具4、数字电源表2、计算机1和温度控制源表3；

温控夹具4夹持待测发光二极管，数字电源表2电源两极接待测发光二极管，数字电源表2与计算机1电连接，计算机1与温度控制源表3电连接，温度控制源表3所配套的温度传感器31和加热板32均安装于温控夹具4上；

所述温度传感器31为电阻温度传感器；所述加热板32为贝底埃加热板。

2）由温度控制源表3设定一组温度值T（4个温度：290K、300K、310K和320K），这4个温度值均低于发光二极管芯片的失效温度，同时由数字电源表2设定电压值2.4V（低于待测发光二极管的启动电压值）；

3）按所设定的一组温度值和所设定的电压值，分别测量得到不同温度值下的发光二极管的所对应的一组正向电流值I₁、I₂、I₃、I₄；

4）通过步骤3）所测得的一组正向电流I₁、I₂、I₃、I₄，先画出电流对数与温度倒数的关系图，然后通过下述公式（1）进行直线拟合，

$\ln \left(I\right)={\mathrm{\λ}}_1+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{T}---\left(1\right)$

得到λ₁和λ₂系数；式（1）中，ln(I)表示电流对数；T表示温度；λ₁为截距，表示拟合线上温度趋于无穷时的电流对数值；λ₂为斜率，表示电流对数与温度倒数的感应系数；如图3所示（图3中附带2.5V，2.6V的电流温度实验）；

5）调节数字电源表2，使发光二极管5正常发光5min，然后停止发光二极管5发光，数字电源表2按步骤2）所设定的电压值输出正向电压2.4V，立即连续测量并记录之后一段时间内（直至电流值不变）发光二极管5的电流值I(t)。根据式（1）计算得到各个电流值所对应的结温值T(t)。图2所示为发光二极管结温测量电流信号与时间关系。在图2中，粗直实线表示加热电流，细曲线表示在设定的电压值2.4V下，连续测量记录的一段时间内发光二极管5的电流值（约为10微安）。

6）将步骤5）所得到的与各个电流值I(t)对应的结温值T(t)，通过下述结温与时间关系式（2）

$T\left(t\right)=T_c+\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\exp (-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i})---\left(2\right)$

进行拟合，得到结温拟合曲线图；通过该图即可得到不同时间点对应发光二极管工作状态下结温值；式（2）中，T(t)表示随时间t变化的结温值；T_c表示热沉温度；τ_i为半导体材料热容热阻的时间常数；A_i为与τ_i对应的结构部分达到稳态后对整体温差的贡献值；n为LED时间常数τ的个数。

图4是发光二极管的瞬态温度响应曲线，横坐标为时间对数坐标。用式2）拟合瞬态温度响应曲线时n越多拟合结果越好，一般情况下式2）中n取3就能满足要求。令n=3，根据式（2）拟合瞬态温度曲线，由图可看出三次指数瞬态可以很好拟合结果，继而获得350mA下发光二极管的工作结温（t=0时刻温度）和发光二极管结构主要时间常数谱（τ₁τ₂τ₃）。

本实施例（正向小电流法）与常用的电压法测量方法比较，结果如表1。

表1

由表1可见，本实施例所使用的方法与常用的电压法比较所测结温差不多，误差不超过1%。其主要时间常数与电压法的结果处在同一数量级，说明测量的瞬态温度变化趋势基本一致。

Claims (2)

1.一种发光二极管结温测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)结温测量装置搭建：结温测量装置包括温控夹具、数字电源表、计算机和温度控制源表；温控夹具夹持待测发光二极管，数字电源表电源两极接待测发光二极管，数字电源表与计算机电连接，计算机与温度控制源表电连接，温度控制源表所配套的温度传感器和加热板均安装于温控夹具上；

2)由温度控制源表设定一组温度值，设定的一组温度值至少包含2个不同的温度值，该组温度值低于待测发光二极管芯片的失效温度，同时由数字电源表设定电压值，该电压值低于待测发光二极管的启动电压；

3)按所设定的一组温度值和所设定的电压值，分别测量得到不同温度值下的发光二极管的一组正向电流值；

4)通过步骤3)所测得的一组正向电流，先画出电流对数与温度倒数的关系图，然后通过下述公式(1)进行直线拟合，

$\ln \left(I\right)={\mathrm{\λ}}_1+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{T}---\left(1\right)$ 得到λ₁和λ₂系数；式(1)中，ln(I)表示电流对数；T表示温度；λ₁为截距，表示拟合线上温度趋于无穷时的电流对数值；λ₂为斜率，表示电流对数与温度倒数的感应系数；

5)调节数字电源表的输出电压，使发光二极管正常发光，然后停止发光二极管发光；接着数字电源表按步骤2)所设定的电压值输出正向电压，立即连续测量并记录发光二极管的电流值，连续测量的时间直至电流值不变为止，再根据式(1)计算得到与各个电流值对应的结温值；

6)将步骤5)所得到的与各个电流值应的结温值，通过下述结温与时间关系式(2)：

$T\left(t\right)=T_c+\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\exp (-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i})---\left(2\right)$

进行拟合，得到结温拟合曲线图；通过该图即可得到不同时间点对应发光二极管工作状态下结温值；式(2)中，T(t)表示随时间t变化的结温值；T_c表示热沉温度；τ_i为半导体材料热容热阻的时间常数；A_i为与τ_i对应的结构部分达到稳态后对整体温差的贡献值；n为发光二极管时间常数τ的个数。

2.如权利要求1所述的一种发光二极管结温测量方法，其特征在于在步骤1)中，所述温度传感器为电阻温度传感器。