CN105242188B - 测量led器件的结温的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量LED器件的结温的方法及系统，该方法包括选取多个测量电流，并分别标定每个测量电流下待测LED器件的K系数曲线；选取一个工作电流，并至少配置两组包含所述工作电流与一个所述测量电流的标定组；对至少两组标定组的回复时间进行测量，并根据所述回复时间建立回复时间模型；基于所述回复时间模型与所述K系数曲线测量LED器件在工作电流下的结温。该方法显著地提高了LED器件的结温测量的精度。同时由于考虑到回复时间的影响，可以进一步降低在LED器件的结温测量过程中对测量时间的苛刻限制，减少了对测试设备的硬件要求。

Description

测量LED器件的结温的方法及系统

技术领域

本发明涉及LED测试领域，尤其涉及一种测量LED器件的结温的方法及系统。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)器件的结温是指处于LED封装或电子设备中的实际半导体芯片(裸片或者晶圆)的最高温度。在LED器件的工作中，由于耗散功率的增加和环境温度的变化，其结温将发生显著的变化。而结温的变化会影响其光通量、出光效率、波长等性能参数，还会进一步影响器件的寿命与可靠性，因此有必要对LED器件的结温进行实时准确地测量。

现有技术中常用的测量LED器件的结温的方法主要有K系数法、红外热像仪法以及光谱法等。其中，K系数法是利用LED器件的电输运的温度效应，通过测量工作电流下的正向电压来间接确定LED器件的结温的。由于K系数法实施起来比较简单且具有非破坏性，获得了普遍的应用。但在实际使用中，当利用K系数法进行多次测量时，针对同一工作电流的测量结果会因为采用不同的测量电流而有所差异，因而使测量的可靠性与测量的精度受到影响，限制了该方法的进一步的应用。

综上，亟需对现有的K系数测量方法进行改进以提高其测量精度，消除其多次测量中的结果的差异。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是对现有的K系数测量方法进行改进以提高其测量精度，消除其多次测量中的结果的差异。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种测量LED器件的结温的方法，包括选取多个测量电流，并分别标定每个测量电流下待测LED器件的K系数曲线；选取一个标定电流，并至少配置两组包含所述标定电流与一个所述测量电流的标定组；对至少两组标定组的回复时间进行测量，并根据所述回复时间建立回复时间模型；基于所述回复时间模型与所述K系数曲线测量LED器件在工作电流下的结温。

优选地，回复时间为当LED器件的电流发生突变时，所述LED器件的结温在突然升高后回复到与电流发生突变时刻相对应的结温所用的时间。

优选地，在对至少两组标定组的回复时间进行测量的步骤中包括：步骤一、对放置于恒温设备中的LED器件施加标定电流致其达到热平衡；步骤二、从标定电流切换至测量电流，并记录切换时间为0时刻；步骤三、以预设的时间间隔点测LED器件两端的正向电压，直至与所述正向电压对应的温度值与0时刻恒温设备的温度值的差值的绝对值小于或等于设定的界限值时，将从0时刻起的测量时间记录为回复时间。

优选地，在步骤三中还包括：利用K系数曲线判断与所述正向电压对应的温度值是否满足设定的界限值要求，当与所述正向电压对应的温度值不满足设定的界限值要求时，继续以预设的时间间隔点测LED器件两端的正向电压。

优选地，根据如下表达式建立所述回复时间模型：

t_re＝τ(P-1)^ε

式中，P表示切换前后的电流的比值，τ为时间常数，ε为特性系数。

优选地，在基于所述回复时间模型与所述K系数曲线测量LED器件在工作电流下的结温的步骤中包括：根据所述回复时间模型计算LED器件在工作电流下的回复时间；将施加于所述LED器件的工作电流切换至测量电流的时刻记为0时刻，并在经过所述回复时间后点测所述LED器件两端的正向电压；利用所述K系数曲线与所述正向电压读取LED器件的结温。

优选地，当不同标定组的回复时间不满足随测量电流的增大而减小的关系时，增大标定电流的数值对回复时间进行测量。

优选地，当增大标定电流的数值对回复时间进行测量时，所述标定电流的最大值使LED器件所产生的自发热不超过0.5度。

本申请的实施例还提供了一种测量LED器件的结温的系统，包括第一标定模块，其选取多个测量电流，并分别标定每个测量电流下待测LED器件的K系数曲线；第二标定模块，其选取一个标定电流，并根据所述标定电流与所述测量电流建立回复时间模型；结温测量模块，其基于所述回复时间模型与所述K系数曲线测量LED器件在工作电流下的结温。

优选地，第二标定模块还包括：分组单元，其选取一个标定电流，并至少配置两组包含所述标定电流与一个所述测量电流的标定组；建模单元，其对至少两组标定组的回复时间进行测量，并根据所述回复时间建立回复时间模型。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

通过基于回复时间模型进行结温的检测，显著地提高了LED器件的结温测量的精度。同时由于考虑到回复时间的影响，可以进一步降低在LED器件的结温测量过程中对测量时间的苛刻限制，减少了对测试设备的硬件要求。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为利用现有技术中的K系数方法测量LED器件的结温的示意图；

图2为利用现有技术中的K系数方法测量LED器件的结温时的拟合曲线示意图；

图3为本申请一实施例的测量LED器件的结温的方法的流程示意图；

图4(a)-(b)利用温度传感器测量的LED器件的结温与利用K系数曲线读取的LED器件的结温的温度对比示意图；

图5为LED器件在电流发生突变时产生的热电现象示意图；

图6为本申请另一实施例的测量LED器件的结温的系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

图1为利用现有技术中的K系数方法测量LED器件的结温的示意图，图2为利用现有技术中的K系数方法测量LED器件的结温时的拟合曲线示意图，下面结合图1和图2来说明利用现有技术中的K系数法测量LED器件的结温时存在的问题。

现有技术中的K系数法基于以下假设，当流过LED器件的电流发生切换时，LED器件的结温不会随电流的变化而发生突变。如图1所示，首先给LED器件通以350mA的工作电流，工作电流会对LED器件进行加热，经过一定的加热时间后，LED器件达到了热平衡，温度维持恒定。然后，将工作电流迅速切换为10mA的测量电流，为满足假设条件，需要在尽量短的时间内(例如不大于100μs)完成切换和测试，这样就可以认为从工作电流切换到测量电流时的LED器件的结温保持不变，即维持在由工作电流加热所达到的温度上。再根据10mA的测量电流的K系数标定曲线得到的测量数据进行曲线拟合，就可以计算出0时刻(即将工作电流切换到测量电流的时刻)的LED器件的结温，如图2中曲线1所示。

根据现有技术中的假设，在相同的工作电流下，应用不同的测量电流，在经历相同的切换时间导致的延迟后，所测得的同一LED器件样品的结温应该是保持一致的。

接下来基于相同的350mA的工作电流，应用不同的测量电流进行测量。在图1中，将测量电流取为500μA时，其拟合出的温度曲线如图2中曲线2所示，可以看出，该曲线2与曲线1并不重合。更进一步地，应用更多的不同的测量电流重复上述测试过程，会发现测量结果之间存在明显的差异。如图2所示，曲线3、曲线4、曲线5、曲线6、曲线7分别对应于5mA、3mA、1mA、800μA、600μA的测量电流，测量结果之间的差异随着不同的测量电流之间的差值的增大而增大。上述结果与现有技术中的假设存在矛盾。

如果采用不同的测量方法(例如紧贴芯片的热电偶测试法)对稳定工作在350mA时的LED器件的结温进行测量，可以发现利用K系数法测量得到的LED器件的结温普遍偏高。通过对上述实验结果的进一步分析发现，应用不同的测量电流导致LED器件结温测量结果不一致的原因是当发生电流切换时，LED器件的结温并不是保持不变的。当在LED器件中稳定流过的电流突然发生变化时，将引起LED器件内部产生变化的电势差，而此时LED器件除了产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收和放出一定的热量，吸收和放出的热量与电流的变化(或电势差的变化)的趋势相反。也就是说，在K系数法中，当从大的工作电流切换到小的测量电流时，LED器件会伴随发生一个释放热量的过程，即在电流切换时，LED器件的结温会有一个突然的温升。在本申请的实施例中，针对上述问题提出了一种改进的K系数法。

图3为本申请一实施例的测量LED器件的结温的方法的流程示意图，包括以下步骤：

步骤S310、选取多个测量电流，并分别标定每个测量电流下待测LED器件的K系数曲线。步骤S320、选取一个标定电流，并至少配置两组包含该标定电流与一个测量电流的标定组。步骤S330、对至少两组标定组的回复时间进行测量，并根据回复时间建立回复时间模型。步骤S340、基于回复时间模型与K系数曲线测量LED器件在工作电流下的结温。其中，步骤S310可以在步骤S320和/或步骤S330之后执行。

具体的，利用测量电流标定K系数曲线的过程与现有技术中的标定过程基本相同。选取用于标定的多个测量电流时应注意，优先选取电流值较低的测量电流点亮LED器件以避免电流过大引起明显的自发热现象，同时还要使测量电流足够大以保证在测量正向电压的时候的数据可靠。测量电流一般根据LED器件的型号在500μA至5mA之间的范围内进行选择。举例而言，在一个实施例中，在500μA至1mA之间选取5个测量电流，在1mA至5mA之间选取5个测量电流，总计10个测量电流。

接下来，将LED器件固定在温箱或恒温台上，设定好温度，利用温箱或恒温台对待测的LED器件进行加热致其达到热平衡，此时可以认为LED器件的结温等于温箱或恒温台的温度。然后用选定的测量电流快速点测LED器件的正向电压并记录。再控制温箱或恒温台的温度在多个温度测量点上保持稳定，重复上述测量过程完成针对选定的测量电流的标定。举例而言，可以在20℃到140℃的温度范围内选择7个温度点，依次测量待测LED器件在每个稳定的温度点上的正向电压，即可得到对应于该工作电流的结温与正向电压的关系。一般的，在一个确定的工作电流下，LED器件的结温与LED器件两端的正向电压具有很好的线性关系，对于特定的器件也可能是二次曲线关系，根据实际测量的结果来确定。在多个不同的选定的测量电流下重复上述标定过程，可以得到多个不同的工作电流下LED器件的结温与其两端的正向电压的关系，即通过标定得到了每个测量电流下待测LED器件的K系数曲线。

需要说明的是，理论上，仅标定一个测量电流的K系数曲线就能够实现结温的测量，但实际中，为了减少随机误差，提高测量精度，一般会选取多个测量电流，获取多条K系数曲线，并通过比较和筛选最终选取线性度较好的K系数曲线对应的电流作为测量电流。而在本申请中，由于需要利用至少两个测量电流来建立回复时间模型，因此至少选取两个线性度较好的测量电流。

进一步地，选取一个用于标定的标定电流。与选取测量电流时一样，优先选取较低的标定电流点亮LED器件以避免电流过大引起明显的自发热现象。为了减少随机误差，也可以选取多个标定电流，再通过比较和筛选最终选取建模精度较高的电流作为标定电流。例如，在本申请的一个实施例中，在10mA到50mA之间选取5个标定电流。

将选定的标定电流与测量电流配置成标定组。每一个标定组由一个标定电流与一个测量电流组成，配置时应尽可能保证一个标定组内的标定电流与测量电流之间留有足够的差值。举例而言，以测量电流为3mA、2mA、1mA、0.6mA分别与10mA的标定电流配置成四个标定组。

当LED器件的电流发生突变时，其结温会发生相应的变化。将微型温度传感器放置在LED芯片下，使其与LED芯片的结点距离仅为200μm，以充分保证测量的结温的准确性。当电流突然上升时，LED的结温有明显的下降，如图4(a)所示，其中实线表示测量电流下的K系数曲线表示的结温，虚线表示测量电流下，LED芯片下的温度传感器测量得到的结温。当电流突然下降时，LED的结温有明显的上升，如图4(b)所示，其中实线表示测量电流下的K系数曲线表示的结温，虚线表示测量电流下，LED芯片下的温度传感器测量得到的结温。

在本申请的实施例中，根据LED器件在电流发生突变时产生的热电现象对结温进行修正。下面结合图5进行说明。

图5为LED器件在电流发生突变时产生的热电现象示意图，如图所示，在0时刻时，流过LED器件的电流从较大的工作电流I_W切换到较小的测量电流I_M，电流在短时间内突然降低将导致LED器件的结温T_j会有一个突然的温升△T_pulse。突然变化的电流会导致结温的突然变化，且结温变化与电流变化的趋势相反。结温升高之后会随时间逐渐冷却，经过一定的时间，LED器件的结温在突然升高后回复到与实际工作电流突变时刻(即0时刻)相对应的结温，将这段冷却时间定义为回复时间t_re。回复时间t_re的大小可以根据表达式(1)所示的模型获得：

t_re＝τ(P-1)^ε (1)

式中，P表示切换前后的电流的比值，具体为工作电流I_W与测量电流I_M的比值，即P＝I_W/I_M。τ为时间常数，ε为特性系数，τ和ε均为与器件的材料以及器件的结构有关的系数。

时间常数τ和特性系数ε的值可以利用设置的标定组进行标定。具体为，将LED器件放置于温箱或恒温台中，对LED器件施加用于标定的标定电流I_C，使其产生很少量的自加热，维持标定电流I_C足够时间至LED器件达到热平衡，此时LED器件的结温等于温箱或恒温台的温度。再将电流从标定电流I_C迅速切换至同一标定组内的测量电流I_M，将该切换时刻记录为0时刻。在切换的同时迅速点测LED器件两端的正向电压。应用已经标定好的K系数曲线读取结温，若正向电压对应的温度值与0时刻温箱或恒温台的温度值的差值的绝对值大于设定的界限值，则继续以预设的时间间隔点测LED器件两端的正向电压。对于每次点测得到的电压值，应用已经标定好的K系数曲线读取结温，当与正向电压对应的温度值与0时刻温箱或恒温台的温度值的差值的绝对值小于或等于设定的界限值时，将从0时刻起到此次点测的时间记录为回复时间t_re。一般的，将该界限值设定为0.5度。

需要注意的是，回复时间的量级为1～100ms，因此在测量时，优选点测的时间间隔为0.01～1ms来对LED器件两端的正向电压进行读取并记录。为提高测量的精度，在实际测量回复时间时会设置多组标定组，由不同的标定组得到的t_re之间需满足，对于相同的标定电流，测量电流越大，其对应的回复时间越小，即回复时间与所使用的测量电流成反比。另外，如果由于测量精度的原因使得到的回复时间不满足上述关系，则可以适当增大标定电流的数值，重新设置标定组进行测量。举例而言，对于以测量电流为3mA、2mA、1mA、0.6mA分别与10mA的标定电流配置成的四个标定组，其读取的回复时间应满足t_re(3mA)＜t_re(2mA)＜t_re(1mA)＜t_re(0.6mA)。如果10mA的标定电流无法精确测量满足上述关系，则增大标定电流到20mA至50mA，但同时应该注意标定电流使LED器件所产生的自发热不能超过0.5度。

接下来，将由至少两组标定组读取得到的回复时间带入表达式(1)中，计算得到时间常数τ和特性系数ε的值，利用时间常数τ和特性系数ε建立得到回复时间模型。

基于回复时间模型和K系数曲线测量LED器件的结温的过程为，计算实际的工作电流I与测量电流I_M的比值，根据回复时间模型得到回复时间t_re。对于待测LED器件，将其从实际的工作电流I切换至测量电流I_M的时刻记为0时刻，从0时刻起进行计时，在t_re时间段后，点测LED器件两端的正向电压，再根据K系数曲线得到与所测正向电压对应的LED器件的结温。

本申请实施例的测量LED器件的结温的方法，操作简单且显著地提高了LED器件的结温测量的精度。同时由于考虑到回复时间的影响，可以进一步降低在LED器件的结温测量过程中对测量时间的苛刻限制，减少了对测试设备的硬件要求。

在本申请的另一实施例中，还提供了一种测量LED器件的结温的系统，如图6所示。该系统包括：

第一标定模块61，其选取多个测量电流，并分别标定每个测量电流下待测LED器件的K系数曲线；

第二标定模块62，其选取一个标定电流，并根据所述标定电流与所述测量电流建立回复时间模型；

结温测量模块63，其基于所述回复时间模型与所述K系数曲线测量LED器件在工作电流下的结温。

第二标定模块62还包括，

分组单元621，其选取一个标定电流，并至少配置两组包含所述标定电流与一个所述测量电流的标定组。

建模单元622，其对至少两组标定组的回复时间进行测量，并根据所述回复时间建立回复时间模型。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种测量LED器件的结温的方法，包括：

选取多个测量电流，并分别标定每个测量电流下待测LED器件的K系数曲线；

选取一个标定电流，并至少配置两组包含所述标定电流与一个所述测量电流的标定组；

对至少两组标定组的回复时间进行测量，并根据所述回复时间建立回复时间模型；

基于所述回复时间模型与所述K系数曲线测量LED器件在工作电流下的结温；

其中，所述回复时间为LED器件的结温在突然升高后回复到与实际工作电流突变时刻相对应的结温所对应的时间；以及

根据如下表达式建立所述回复时间模型：

t_re＝τ(P-1)^ε

式中，t_re表示回复时间，P表示切换前后的电流的比值，τ为时间常数，ε为特性系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对至少两组标定组的回复时间进行测量的步骤中包括：

步骤一、对放置于恒温设备中的LED器件施加标定电流致其达到热平衡；

步骤二、从标定电流切换至测量电流，并记录切换时间为0时刻；

步骤三、以预设的时间间隔点测LED器件两端的正向电压，直至与所述正向电压对应的温度值与0时刻恒温设备的温度值的差值的绝对值小于或等于设定的界限值时，将从0时刻起的测量时间记录为回复时间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤三中还包括：

利用K系数曲线判断与所述正向电压对应的温度值是否满足设定的界限值要求，当与所述正向电压对应的温度值不满足设定的界限值要求时，继续以预设的时间间隔点测LED器件两端的正向电压。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，在基于所述回复时间模型与所述K系数曲线测量LED器件在工作电流下的结温的步骤中包括：

根据所述回复时间模型计算LED器件在工作电流下的回复时间；

将施加于所述LED器件的工作电流切换至测量电流的时刻记为0时刻，并在经过所述回复时间后点测所述LED器件两端的正向电压；

利用所述K系数曲线与所述正向电压读取LED器件的结温。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在基于所述回复时间模型与所述K系数曲线测量LED器件在工作电流下的结温的步骤中包括：

根据所述回复时间模型计算LED器件在工作电流下的回复时间；

将施加于所述LED器件的工作电流切换至测量电流的时刻记为0时刻，并在经过所述回复时间后点测所述LED器件两端的正向电压；

利用所述K系数曲线与所述正向电压读取LED器件的结温。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当不同标定组的回复时间不满足随测量电流的增大而减小的关系时，增大标定电流的数值对回复时间进行测量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当增大标定电流的数值对回复时间进行测量时，所述标定电流的最大值使LED器件所产生的自发热不超过0.5度。

8.一种测量LED器件的结温的系统，包括：

第一标定模块，其选取多个测量电流，并分别标定每个测量电流下待测LED器件的K系数曲线；

第二标定模块，其选取一个标定电流，并根据所述标定电流与所述测量电流建立回复时间模型；

结温测量模块，其基于所述回复时间模型与所述K系数曲线测量LED器件在工作电流下的结温；

其中，所述第二标定模块根据如下表达式建立所述回复时间模型：

t_re＝τ(P-1)^ε

式中，t_re表示回复时间，所述回复时间为LED器件的结温在突然升高后回复到与实际工作电流突变时刻相对应的结温所对应的时间；P表示切换前后的电流的比值，τ为时间常数，ε为特性系数。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第二标定模块还包括：

分组单元，其选取一个标定电流，并至少配置两组包含所述标定电流与一个所述测量电流的标定组；

建模单元，其对至少两组标定组的回复时间进行测量，并根据所述回复时间建立回复时间模型。