專利名稱：一種led照明燈具中芯片結(jié)溫的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的檢測技術(shù)，特別是指一種LED 照明燈具中芯片結(jié)溫的檢測方法。
背景技術(shù)：
節(jié)能燈組是國際發(fā)展趨勢，中國在用LED節(jié)能燈應(yīng)用方面已經(jīng)走在世界 前列，在北京奧運(yùn)上就是集中體現(xiàn)，并會進(jìn)一步在上海世博會上得以進(jìn)一步的 發(fā)展。在此高速發(fā)展的領(lǐng)域中，對于決定LED節(jié)能燈組可靠性的重要技術(shù)參 數(shù)一LED燈具中的LED芯片結(jié)溫的有效檢測技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上了，但是該 技術(shù)又是LED節(jié)能燈得到快速應(yīng)用發(fā)展的必要保障。
LED是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體 中的載流子發(fā)生復(fù)合而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。應(yīng)用半導(dǎo)體pn結(jié)發(fā)光原理 制成LED問世于20世紀(jì)60年代初，1996年由日本Nichia公司(日亞)成功 開發(fā)出白光LED。 LED以其固有的特點(diǎn)，如省電、壽命長、耐震動、響應(yīng)速 度快、冷光源等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等領(lǐng)域； 在我們的日常生活中也處處可見，如家用電器、電話機(jī)、儀表板照明、汽車防 霧燈、交通信號燈等。近幾年來，隨著人們對半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入， LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料(氮化物晶體和熒光粉)的開發(fā)和應(yīng)用，各 種顏色的超高亮度LED取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率提高了近1000倍。 然而要真正使得這樣的LED照明能夠廣泛應(yīng)用，其可靠性是極其重要的，決 定其可靠性的關(guān)鍵是pn結(jié)的結(jié)溫，特別是形成LED照明燈組后的結(jié)溫狀態(tài)的獲取成為了 LED照明應(yīng)用工程中必須解決的可靠性問題的關(guān)鍵技術(shù)所在。
結(jié)溫作為衡量一個LED器件性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，是LED器件工程應(yīng)用 中可靠性測量的核心要素，也是LED檢測產(chǎn)品中的主要產(chǎn)品。對結(jié)溫的測量 可以用于LED燈具可靠性和使用壽命的研究，因此，準(zhǔn)確測量半導(dǎo)體發(fā)光二 極管的結(jié)溫具有重要的實(shí)際意義。到目前為此，國內(nèi)外的各類檢測結(jié)溫的產(chǎn)品 大多是利用電學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、光度和色度學(xué)性質(zhì)來測量結(jié)溫。目前，測量 LED結(jié)溫的方法通常有以下幾種1，正向電壓法利用LED電輸運(yùn)的溫度效 應(yīng)，在恒定電流的條件下，得到正向電壓與結(jié)溫的線性關(guān)系；2，管腳法是 利用LED的管腳溫度，通過耗散功率和熱阻系數(shù)求得結(jié)溫；3，藍(lán)白比法是 一種非接觸的測量方法，是利用白光LED電致發(fā)光光譜中藍(lán)光與白光的功率 比值來測量結(jié)溫；4，紅外攝像法是常用的測量結(jié)溫分布的方法，但是其成 本高，速度慢，而且器件是未封裝或開封的狀態(tài)。然而這些方法都是局限在單 管LED器件的測量，對于數(shù)十乃至數(shù)百個單管串并聯(lián)的LED燈組的檢測來說， 由于電學(xué)上形成的相互串?dāng)_帶來的復(fù)雜性，使得所有電學(xué)方法很難應(yīng)用；而紅 外方法由于封裝后，燈具內(nèi)的LED芯片不再簡單地裸露在外面，為此芯片上 輻射出的紅外線被封裝材料阻擋，使得紅外非接觸測量方法失效；光譜學(xué)的藍(lán) 白比法是最適合燈具測量的，但是其精度在文獻(xiàn)上報(bào)道的最好結(jié)果僅為±2度， 并且需要有產(chǎn)品的先驗(yàn)知識，藍(lán)光發(fā)光波長的移動會導(dǎo)致測量值的很大移動， 給測量方法中的定標(biāo)問題帶來了很大困難，為此難以實(shí)際應(yīng)用。我們用LED 材料禁帶寬度隨溫度變化規(guī)律來確定LED燈具中LED芯片的結(jié)溫，目前這種 方法僅能將結(jié)溫定到誤差大于10度的精度，主要是受阻于從發(fā)光光譜上確定 結(jié)區(qū)材料禁帶寬度誤差較大，迄今還沒有有效的方法能夠把LED照明燈具中 的芯片結(jié)溫測量的精度精確到1度以內(nèi)。在LED照明燈具工程應(yīng)用越來越多的情況下，為了考察燈具可靠性，愈來愈需要能夠高精度的測量LED照明燈
具中芯片結(jié)溫。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提出一種能夠達(dá)到高精度的LED照明燈具中芯片結(jié)溫 的檢測方法。
本發(fā)明是根據(jù)其發(fā)光峰位的移動來判斷正常工作狀態(tài)下LED燈具中的芯 片結(jié)溫。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下
1， 首先為了禁帶寬度的發(fā)光峰峰位的準(zhǔn)確確定，主要是排除來自熒光 粉的熒光對發(fā)光峰的影響。為此需要選擇合適的發(fā)光峰波段范圍來確定峰位。 為此采用的方法是A，對燈具的結(jié)溫穩(wěn)定在某一個溫度的燈具光譜進(jìn)行多次 測量(如10次以上)，獲得10條以上光譜數(shù)據(jù)。B，以數(shù)據(jù)上的峰位值為中心 點(diǎn)，向兩側(cè)不斷擴(kuò)充，考察依據(jù)擴(kuò)充后的數(shù)據(jù)段擬合出來的峰位離散度，取離 散度最小的擴(kuò)充數(shù)據(jù)為該燈具的結(jié)溫測定用的光譜段。C，最后光譜峰位的確定 由洛侖茲線型與高斯線型的混合線型擬合得到，使得峰位的確定精度在數(shù)據(jù)提 取上達(dá)到最高。如圖l所示為燈具在45度時的光譜圖，圓圈為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，實(shí)線 為擬和曲線，可以看到擬和曲線與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)吻合良好。
2， 檢測系統(tǒng)如圖3所示:LED燈具連接到占空比可調(diào)的程控穩(wěn)壓電源， 電壓源通過串口由計(jì)算機(jī)控制調(diào)節(jié)其占空比使LED燈具發(fā)光；計(jì)算機(jī)的另一邊 通過USB接口控制光譜儀，LED燈具發(fā)的光經(jīng)光纖耦合引進(jìn)入光譜儀。這樣該 系統(tǒng)能較方便地檢測LED燈具的發(fā)光。
3， 測量時，首先在低重復(fù)頻率和低占空比的脈沖電源作用下(脈沖周 期為10ms以上，通電占空比小于5%)，脈沖電流的峰值大小與燈具正常工作時直流電流值相同，脈沖的上升沿的時間要控制在脈沖寬度5%以內(nèi)，應(yīng)用上
述第1點(diǎn)方法高精度地從LED燈具的發(fā)光譜中得出發(fā)光峰位A。
4， 改變電源使其工作在直流狀態(tài)下，穩(wěn)定后測得此時的LED燈具發(fā)光 譜，應(yīng)用上述第1點(diǎn)方法高精度地定出發(fā)光峰位^。
5， 由^與^之差zu，定出在脈沖與直流電源驅(qū)動下的結(jié)溫差異A:r。確
定結(jié)溫T所采用的具體公式為
c = 27.8 ± 0.2, d = —1.22 ±0.08
由于上述第3點(diǎn)中脈沖電源驅(qū)動下燈具結(jié)溫就是室溫 ;，從而可得出燈具 工作狀態(tài)下的結(jié)溫r為r。+Ar。 本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)-
l，該方法克服了常規(guī)電學(xué)方法和紅外攝像方法確定結(jié)溫中的不足，該方
法與燈具各個單管之間相互連接的電路無關(guān)，也與燈具對LED單管的封裝狀 態(tài)無關(guān)，為此適合于不同種類的燈具產(chǎn)品和不同廠家來源的燈具產(chǎn)品。
2，該方法克服了光學(xué)藍(lán)白比方法對于LED芯片中量子結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的藍(lán) 光發(fā)光波長漂移帶來的標(biāo)定困難，該方法與LED中量子結(jié)構(gòu)參數(shù)是如何取的 無關(guān)，因?yàn)楦骷覐S家為了優(yōu)化LED性能會不斷的優(yōu)化LED量子結(jié)構(gòu)中各種參 數(shù)，這樣對于現(xiàn)有的藍(lán)白比方法會形成影響。但本方法不受此影響。
3，該方法克服了常規(guī)確定LED發(fā)光峰位誤差大的不足，能夠把光譜的 峰位定得更準(zhǔn)，使得結(jié)溫的確定精度提升到1度，滿足燈具進(jìn)行可靠性檢測所 要求的結(jié)溫測量精度。
圖l: 45度結(jié)溫光譜圖，實(shí)線為擬和曲線，圓圈為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。圖2: 45度峰位局部放大圖，以及另外四個結(jié)溫溫度點(diǎn)下的峰位局部放大 圖，從左至右依次為45度，60度，75度，90度和105度。可以清晰地看到隨 著結(jié)溫上升，曲線不斷紅移(長波長方向)。
圖3:檢測系統(tǒng)示意圖。
圖4:燈具穩(wěn)定后的測量值，插圖為LED燈具的光譜，三角和園點(diǎn)分別為 同一燈具在二種熱環(huán)境下測量的結(jié)溫。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
1，將被測的LED燈具接通電源發(fā)光，LED燈具額定功率100瓦，額定電壓 32 34伏，本實(shí)例中采用33V穩(wěn)壓電壓源供電，電壓源占空比為1%和直流二 種模式。通過光纖將燈具所發(fā)的光直接引到光譜儀內(nèi)部。應(yīng)用光譜儀可以得到 LED燈具如圖4插圖所示的光譜，用1%和直流二種供電電模式得到的光譜很 相近，然而在約450納米處的光譜峰會有很小的移動，這一移動量就是由于二 種供電模式下結(jié)溫不同引起的，本發(fā)明就是要高精度地確定該移動量。
2，在低重復(fù)頻率和低占空比的脈沖電源作用下(脈沖周期為10ms，通電占 空比1%)，脈沖電流的峰值大小與燈具正常工作時直流電流值相同為2. 7安培， 脈沖的上升沿的時間0. 5ms，應(yīng)用技術(shù)方案的第1點(diǎn)方法，在此脈沖電源工作 狀態(tài)下，測量了10條光譜后，通過計(jì)算選出了峰位周圍約20納米光譜范圍是 確定峰位的最佳波段，為此高精度地從LED燈具的發(fā)光譜中得出發(fā)光峰位4，
并記下此時溫度r。。
3，改變電源使其工作在直流狀態(tài)(100%占空比)下，穩(wěn)定后測得此時的LED 燈具發(fā)光譜，應(yīng)用技術(shù)方案的第1點(diǎn)方法，在此直流電源工作狀態(tài)下，測量了 10條光譜后，通過計(jì)算選出了峰位周圍約20納米光譜范圍是確定峰位的最佳波段，為此高精度地定出發(fā)光峰位^。 4，由^與A之差zu，應(yīng)用公式
c = 27.8 ± 0.2, d = —1.22 ± 0.08
定出在脈沖與直流電源驅(qū)動下的結(jié)溫差異Ar。而脈沖電源驅(qū)動下燈具結(jié)溫就 是室溫r。，從而可得出燈具工作狀態(tài)下的結(jié)溫r。+Ar。
5，對于燈具在正常的直流電源驅(qū)動下工作了 20分鐘后結(jié)溫的大小如圖4 中三角點(diǎn)和圓點(diǎn)所示，它們分別對應(yīng)著與背景室溫7;:300K的結(jié)溫差異 a:t =14. 8K和Ar =12. 7K ，這樣它們的結(jié)溫分別為r。 + Ar =314. 8K和 r。 + Ar=3l2.7K， 二者的差異是因?yàn)闊艟咛幱诓煌纳岘h(huán)境中。它們的誤差
可以從其隨時間的漲落中看到，其波動在土0.6度以內(nèi)，達(dá)到了高精度確定燈
具中結(jié)溫的目的。
如上所述的實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在于使本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本專利的范圍并不僅 局限于上述具體實(shí)施例，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化或修飾， 仍涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種測量LED燈具中LED芯片結(jié)溫的方法，其特征在于具體步驟如下A.將被測的LED燈具接通電源使LED發(fā)光，通過光纖將燈具所發(fā)的光直接引到光譜儀內(nèi)部；B.首先在低重復(fù)頻率和低占空比的脈沖電源作用下，脈沖電流的峰值大小與燈具正常工作時直流電流值相同，脈沖的上升沿的時間要控制在脈沖寬度5％以內(nèi)，確定發(fā)光峰位λ1；C.改變電源使其工作在直流狀態(tài)下，穩(wěn)定后測得此時的LED燈具發(fā)光譜，確定發(fā)光峰位λ2；D.由λ2與λ1之差Δλ，定出在脈沖與直流電源驅(qū)動下的結(jié)溫差異ΔT。而脈沖電源驅(qū)動下燈具結(jié)溫就是工作環(huán)境溫度T0，通常是室溫，從而可得出燈具工作狀態(tài)下的結(jié)溫T0+ΔT。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量LED燈具中LED芯片結(jié)溫的方法，其 特征在于所述的步驟B和C中確定發(fā)光峰位4、 4的方法包括以下步驟(1) 對燈具的結(jié)溫穩(wěn)定在某一個溫度的燈具光譜進(jìn)行多次測量(如10次以上)，獲得10條以上光譜數(shù)據(jù)；(2) 以數(shù)據(jù)上的峰位值為中心點(diǎn)，向兩側(cè)不斷擴(kuò)充，考察依據(jù)擴(kuò)充后的數(shù)據(jù)段擬合出來的峰位離散度，取離散度最小的擴(kuò)充數(shù)據(jù)為該燈具的結(jié)溫測定用的光譜段；(3) 最后光譜峰位的確定由洛侖茲線型與高斯線型的混合線型擬合得到， 使得峰位的確定精度在數(shù)據(jù)提取上達(dá)到最高。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測LED照明燈具中芯片結(jié)溫的方法。本發(fā)明是根據(jù)LED材料禁帶寬度隨溫度的變化規(guī)律來確定LED燈具中LED芯片結(jié)溫，包括三個步驟①通很低占空比的脈沖電壓，直接獲得LED芯片在此溫度下的發(fā)光峰位；②正常工作條件下，測量LED燈具發(fā)光峰位，對比從中得出發(fā)光峰位的漂移量即兩者之差，利用波長的漂移量定出兩者的溫度差異；③由于①是在很低脈沖電壓下測量，溫度就等于室溫，室溫加上兩者的溫度差異判斷在此條件下LED燈具中LED芯片的溫度。本發(fā)明可在±0.6度的誤差范圍內(nèi)表征在不同條件下LED照明燈具中LED芯片的實(shí)際溫度，有利于LED燈具的性能表征和優(yōu)化研究。
文檔編號G01J5/60GK101614592SQ20091005533
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者何素明, 波 張, 寧 李, 李天信, 李志鋒, 胡偉達(dá), 郭少令, 衛(wèi) 陸, 陳平平, 陳效雙 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所