CN108871605B - 采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以波长380nm为起始点的相对光谱分布绕Y轴旋转之体积表征AlGaInP基LED结温的方法，属于LED光电检测领域。本发明在小电流下驱动AlGaInP基LED发光，然后用光谱分析仪测量不同温度条件下AlGaInP基LED的相对光谱分布，并计算出以(峰值波长‑380nm)为起始点的相对光谱分布绕Y轴旋转之体积，得到该体积随结温的变化系数。最后根据该系数，结合已知结温时的相对光谱旋转体积，测算出待测条件下AlGaInP基LED结温。由于相对光谱旋转体之体积对带宽和测量精度要求均较低，因此，本方法使用成本较低的普通光谱仪即可完成测量，且多次测量稳定性和准确性好。测量方法简单易操作，测量过程中不接触LED本身，使用范围广。

Description

采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法

技术领域

本发明涉及LED光电检测方法，更具体地说，涉及一种采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)已被广泛应用于信号指示、液晶背光源、显示、通用照明等领域。但是，LED自身的光电色特性和寿命与结温密切相关。结温升高会导致LED的发光效率降低，寿命缩短。因此如何快速、科学、方便的测量LED结温就成为了问题的突破口。

已经报道的LED结温测量方法有正向电压法(可参见EIA/JEDEC standardJESD51-1、中国专利200920212653.0和200910198965.5)、热阻法(可参见标准SJ/T11394-2009，“通过测量LED管脚温度和芯片散热的热功率，以及热阻系数来确定结温，测量中需要结合正向电压法来确定热阻系数”)、峰值波长法[Third International Conference onSolid State Lighting,Proceedings of SPIE 2010.5187:93-99]、谷值波长法[光谱学与光谱分析，2013，33(1):36-39]、辐射强度法[光电子·激光，2009，20(8):1053-1057]、蓝白比法[Third international conference on solid state lighting,proceedings ofSPIE 2010.5187:107-114]、液晶阵列热成像法[Phys.Stat.Sol(c)1(2004)2429]、微拉曼谱法[Phys.Status.Solidi，A202(2005)824]、发光光谱法[Appl.Phys.Lett.89(2006)101114]、中心波长法(Microelectronics Reliability，2013，53(5):701-705)和质心波长法(可参见中国专利CN201410268725.9)。

已经报道的方法还有《基于LED相对光谱随温度变化的结温测量方法》(ZL201310221606.3)、《一种用质心波长联合光谱宽带表征GaN基LED结温的装置及其方法》(ZL201510192171.3)、《一种根据光谱分布的变化测算LED结温的装置及其方法》(ZL201610179447.9)、《一种用电桥测量LED结温的装置及其方法》(ZL 201410629774.0)、《一种用加权宽度表征GaN基LED结温的方法》(ZL201410268532.3)。

然而，这些方法测量AlGaInP基LED结温还是有不足，如由于其灯具外壳材料等的限制，一般很难实现符个LED引脚上的压降测量，正向电压法难以使用，峰值波长法、质心波长法和谷值波长法需要准确测量峰值或谷值，这对光谱仪的性能要求很高。蓝白比法只能用于荧光粉转换型白色LED结温，辐射强度法对测量环境和条件要求比较高，液晶阵列热成像法、微拉曼谱法、发光光谱法等对测试仪器的精度要求高，相关设备比较昂贵。更重要的是，现有的非接触性方法均是基于单个光学参数与结温关系来测量结温的，因此灵敏度不够高。质心波长和半高全宽与AlGaInP基LED结温均成线性正相关，因此，用质心波长或半高全宽也能表征结温。但是，半高全宽是采用相对光谱为0.5的两个波长之差来计算的，因此要求这两个波长测量非常准确，这对仪器设备要求比较高，也不利于降低测量仪器要求，质心波长只与相对光谱分布对称性有关，不能反映出光谱分布的宽度等特征。因此，目前现有技术中暂没有最合适的方法来表征AlGaInP基LED结温。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有方法针对AlGaInP基LED结温测量存在测量条件苛刻、测量精度低、测量设备昂贵的不足，提供一种采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，采用本发明的技术方案，使用成本较低的普通光谱仪即可完成测量，测量方法简单高效，测量过程中不接触LED本身，多次测量稳定性和准确性好，可以用于单颗LED结温测量，也可以用于多颗LED组成的阵列的平均结温测量，使用范围广。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，包括以下步骤：

a)在小电流下驱动AlGaInP基LED发光，然后用光谱分析仪测量不同温度Ta和Tb条件下AlGaInP基LED的相对光谱，并记录下Ta和Tb温度时的相对光谱分布；

b)计算不同温度对应的相对光谱旋转体体积，计算公式如下：

相对光谱绕y轴旋转体体积的计算方法是：

(1)将横坐标的380nm设定为起始位置，即原点；

(2)相对光谱分布y＝F(λ)，写成λ＝F(y)形式；

(3)相对光谱旋转体体积计算公式，写成求和形式为：

公式左侧

为相对光谱分布的右半部分，右侧

为相对光谱分布的左半部分；

旋转体积之积-结温系数K的计算公式为：

c)测量小电流驱动下以及工作环境下待测LED的相对光谱旋转体体积(V_λ)_I和(V_λ)_x，以及环境温度T，通过下式计算出工作电流下的结温：

T_j＝T+K[(V_λ)_x-(V_λ)_I]。

更进一步地，步骤a)中测量相对光谱分布的测量装置包括热阻结构分析仪、恒温器、积分球、LED灯座、光谱分析仪以及电脑，所述的LED灯座设于恒温器上，所述的光谱分析仪的信号传输端与电脑相连，光谱分析仪的探头透过积分球设于积分球的内壁，所述的热阻结构分析仪与LED灯座上的LED光源相连，所述的LED光源穿过积分球的一个孔设于积分球内，所述的热阻结构分析仪与电脑相连；所述的LED光源为AlGaInP基LED及其模块；

步骤a)中相对光谱分布的具体测量方法如下：

a-1)设置恒温器的温度为Ta，当LED光源达到设置的恒温器温度后调整热阻结构分析仪的驱动电源，使LED光源在小电流驱动下发光，然后用光谱分析仪测量LED光源的相对光谱，并由电脑记录下相对光谱分布；

a-2)重复步骤a-1)，测量恒温器温度为Tb时LED光源的相对光谱分布。

更进一步地，步骤a)中所述的小电流指小于额定电流5％的电流。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，采用单次标定，多次测量的方式，即在宽的结温范围内，只需要选择几个结温标定系数K，测量时，只要是同型号的LED，均可以采用系数K计算得到结温；

(2)本发明的一种采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，操作简单，与峰值波长法，蓝白比法步骤相似；

(3)本发明的一种采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，仅需常规的光谱仪即可对LED结温进行测量，无需昂贵的测量设备；

(4)本发明的一种采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，相对光谱旋转体体积容易准确测量，对测量误差鲁棒性高，结果可重复性高，因此用于表征结温波动性小；

(5)本发明的一种采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，不接触LED引脚，提高了测量的速度和可行性；

(6)本发明的一种采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，可以用于单颗LED结温测量，也可以用于多颗LED组成的阵列的平均结温测量，使用范围广；

(7)本发明的一种采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，与峰值波长、中心波长、质心波长或半高全宽单独表征AlGaInP基LED结温相比，测量的准确度和灵敏度更高，对仪器要求低，同时是测量误差的免疫能力更高。

附图说明

图1为本发明的采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法的测量装置的结构示意图；

图2为本发明的采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法的旋转体体积和质心波长与结温的变化图；

图3为本发明的采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法的光谱与波长的变化图；

图4为本发明的采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法的相对光谱分布绕Y轴旋转后的环形体积示意图；

图5是本发明的采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法的流程图。

示意图中的标号说明：

1、热阻结构分析仪；2、恒温器；3、积分球；4、LED灯座；5、光谱分析仪；6、电脑；7、LED光源。

具体实施方式

本发明的采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，其原理如下：

AlGaInP基LED的禁带宽度随结温而升高而线性增大，导致LED光谱线性红移，从而使LED结温与质心波长间存在相关性。同时，由于电子输运效应，光谱宽度加大，相对光谱旋转体体积与结温之间存在相关性。

峰值波长法要求准确测量峰值波长，实际工作时，由于电源的不稳定等环境因素及测量设备的不确定性，峰值波长测量误差较大。质心波长与整个光谱功率分布有关，某些波长处对应的光谱辐射强度测量不准确对质心波长的影响较小。因此，质心波长有利于结温的准确测量，实践证明：质心波长法测量LED结温比峰值波长法准确度高，测量误差小。随着结温增加，相对光谱宽带越来越大，相对光谱旋转体的体积越来越大，相对光谱旋转体都与相对光谱整体分布有关，对测量误差免疫能力强，因此，如果将相对光谱旋转体积适当处理，例如选择适当的原点，它与结温可能呈线性关系，用于测量结温，误差更小，准确度更高。

测量LED结温，首先要对LED结温建立公式，小电流所产生的LED光源的自加热过程对结温影响较小，恒温器与LED光源之间的热阻较小，因此，本发明使用恒温器温度代替LED结温。测量不同恒温器温度下的相对光谱旋转体体积，建立旋转体体积与结温的关系式。再根据公式及测量的工作条件下LED光源的旋转体体积，便可方便的求出工作条件下LED的结温。

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

图1为本发明采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温方法所采用的测量装置的结构示意图，该测量装置包括热阻结构分析仪1、恒温器2、积分球3、LED灯座4、光谱分析仪5以及电脑6，LED灯座4设于恒温器2上，光谱分析仪5的信号传输端与电脑6相连，光谱分析仪5的探头透过积分球3设于积分球3的内壁，热阻结构分析仪1与LED灯座4上的LED光源7相连，LED光源7穿过积分球3的一个孔设于积分球3内，热阻结构分析仪1与电脑6相连；LED光源7为AlGaInP基LED及其模块。上述的LED光源7是AlGaInP基LED及其模块。热阻结构分析仪1的作用是采用电压法测量LED结温，以及为LED提供稳定的电源。

图5是本发明的采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法流程图。如图所示，其步骤如下：

a)在小电流下驱动AlGaInP基LED发光，然后用光谱分析仪测量不同温度Ta和Tb条件下AlGaInP基LED的相对光谱，并记录下Ta和Tb温度时的相对光谱分布，如图3所示；具体为：

a-1)设置恒温器2的温度为Ta，当LED光源7达到设置的恒温器2温度后调整热阻结构分析仪1的驱动电源，使LED光源7在小电流驱动下发光，然后用光谱分析仪5测量LED光源7的相对光谱，并由电脑6记录下相对光谱分布；

a-2)重复步骤a-1)，测量恒温器2温度为Tb时LED光源7的相对光谱分布。

b)计算不同温度对应的相对光谱旋转体体积，相对光谱旋转体如4所示，其体积计算公式如下：

相对光谱绕y轴旋转体体积的计算方法是：

(1)将横坐标的380nm设定为起始位置，即原点；

(2)相对光谱分布y＝F(λ)，写成λ＝F(y)形式；

(3)相对光谱旋转体体积计算公式，写成求和形式为：

公式左侧

为相对光谱分布的右半部分，右侧

为相对光谱分布的左半部分；

旋转体积之积-结温系数K的计算公式为：

c)测量小电流驱动下以及工作环境下待测LED的相对光谱旋转体体积(V_λ)_I和(V_λ)_x，以及环境温度T，通过下式计算出工作电流下的结温：

T_j＝T+K[(V_λ)_x-(V_λ)_I]。 (3)

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例

参见图1，本实施例中的LED结温测量装置，包括热阻结构分析仪1、恒温器2、积分球3、设置于恒温器2上的LED灯座4以及光谱分析仪5、电脑6，光谱分析仪5的信号传输端与电脑6相连，其探头透过积分球3到达内壁，驱动电源1与LED光源7相连，LED光源7穿过积分球3的一个孔到达积分球3内，热阻结构分析仪1与电脑6相连，LED光源7安置在LED灯座4上。LED光源7为AlGaInP基LED光源。

参见图5，具体包括以下步骤：

1)将LED光源7(与待测LED相同型号的LED或与待测LED阵列相同结构的LED模块)置于灯座4上，然后将光谱分析仪5的探头透过积分球3的小孔，到达积分球内壁连接；

2)经过步骤1)后设置恒温器2温度为Ta，当LED光源7达到设置的恒温器2温度后调整热阻结构分析仪的驱动电源，使LED光源7在小于额定电流5％的小电流驱动下发光，然后用光谱分析仪5检测LED光源7的相对光谱，由电脑6记录相对光谱的检测结果；

3)改变恒温器2温度，重复步骤2)，得到恒温器温度Tb下LED光源7的相对光谱；

4)对得到的检测结果进行分析，将恒温器2温度近似作为LED结温，将恒温器2温度以及对应的质心波长进行线性拟合，得到质心波长随LED结温变化的斜率；

5)测量正常工作下LED光源7的相对光谱，计算相对光谱分布旋转体体积V_λx，测量小电流驱动下LED光源7的相对光谱，计算相对光谱分布旋转体体积V_λT，测量环境温度T，结合步骤4)得到的斜率，运用公式(3)，即可求出LED结温或LED阵列的平均结温。

图2是按上述方法测量的1个1W的AlGaInP基红色LED的质心波长随结温变化曲线，选取5mA为小电流，Ta＝20℃，Tb＝60℃,经计算，K为6℃/(立方单位)。对于某LED样品，选取5mA为小电流，此时质心波长为628.1nm，相对光谱旋转体体积为18.97立方单位，测量100mA时的光谱，计算出630.4nm，相对光谱旋转体体积为25.41平方单位，环境温度为20℃，得结温62.93℃。

图2中，质心波长随结温的变化由带点线表示，相对光谱旋转体体积与结温的变化由光滑曲线表示。可见，采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温对应的关系要平滑得多，这是由于本发明对误差的鲁棒性高的缘故。

本发明的一种采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，具有以下优点：

1、单次标定，多次测量。即在宽的结温范围内，只需要选择几个结温标定系数K，测量时，只要是同型号的LED，均可以采用系数K计算得到结温。

2、操作简单，与峰值波长法，蓝白比法步骤相似。

3、仅需常规的光谱仪。

4、相对光谱旋转体体积容易准确测量，对测量误差鲁棒性高，结果可重复性高，因此用于表征结温波动性小。

5、不接触LED引脚。

6、可以用于单颗LED结温测量，也可以用于多颗LED组成的阵列的平均结温测量，使用范围广。

7、与峰值波长、中心波长、质心波长或半高全宽单独表征AlGaInP基LED结温相比，本方法测量的准确度和灵敏度更高，对仪器要求低，同时是测量误差的免疫能力高。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)在小电流下驱动AlGaInP基LED发光，然后用光谱分析仪测量不同温度Ta和Tb条件下AlGaInP基LED的相对光谱，并记录下Ta和Tb温度时的相对光谱分布；

步骤a)中测量相对光谱分布的测量装置包括热阻结构分析仪(1)、恒温器(2)、积分球(3)、LED灯座(4)、光谱分析仪(5)以及电脑(6)，所述的LED灯座(4)设于恒温器(2)上，所述的光谱分析仪(5)的信号传输端与电脑(6)相连，光谱分析仪(5)的探头透过积分球(3)设于积分球(3)的内壁，所述的热阻结构分析仪(1)与LED灯座(4)上的LED光源(7)相连，所述的LED光源(7)穿过积分球(3)的一个孔设于积分球(3)内，所述的热阻结构分析仪(1)与电脑(6)相连；所述的LED光源(7)为AlGaInP基LED及其模块；

步骤a)中相对光谱分布的具体测量方法如下：

a-1)设置恒温器(2)的温度为Ta，当LED光源(7)达到设置的恒温器(2)温度后调整热阻结构分析仪(1)的驱动电源，使LED光源(7)在小电流驱动下发光，然后用光谱分析仪(5)测量LED光源(7)的相对光谱，并由电脑(6)记录下相对光谱分布；

a-2)重复步骤a-1)，测量恒温器(2)温度为Tb时LED光源(7)的相对光谱分布；

b)计算不同温度对应的相对光谱旋转体体积，计算公式如下：

相对光谱绕y轴旋转体体积的计算方法是：

(1)将横坐标的380nm设定为起始位置，即原点；

(2)相对光谱分布y＝F(λ)，写成λ＝F(y)形式；

(3)相对光谱旋转体体积计算公式，写成求和形式为：

公式左侧

为相对光谱分布的右半部分，右侧

为相对光谱分布的左半部分；

旋转体积之积-结温系数K的计算公式为：

c)测量小电流驱动下以及工作环境下待测LED的相对光谱旋转体体积(V_λ)_I和(V_λ)_x，以及环境温度T，通过下式计算出工作电流下的结温：

T_j＝T+K[(V_λ)_x-(V_λ)_I]。

2.根据权利要求1所述的采用相对光谱旋转体体积表征AlGaInP基LED结温的方法，其特征在于：步骤a)中所述的小电流指小于额定电流5％的电流。

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