專利名稱：一種檢測半導(dǎo)體照明燈具一次與二次散熱特性優(yōu)劣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)燈具散熱特性測試技術(shù)，特別是指一種檢測半導(dǎo)體發(fā)光二極管封裝在燈具內(nèi)后的一次散熱性和二次散熱性優(yōu)劣的方法。
背景技術(shù)：
LED是一種注入電致發(fā)光器件，在外加電場的作用下，電子和空穴的輻射復(fù)合將一部分能量轉(zhuǎn)化為光能，而無輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格振動(dòng)將其余的能量轉(zhuǎn)化為熱能。對(duì)于目前技術(shù)成熟的功率型LED，其電光裝換效率也僅為30%左右，即輸入的電能有70%左右都轉(zhuǎn)化成了熱能，對(duì)于半導(dǎo)體器件，隨著溫度的變化，其特性會(huì)有明顯的變化。特別是LED，結(jié)溫的升高會(huì)導(dǎo)致器件光性能的變化與衰減，也導(dǎo)致LED半導(dǎo)體材料的缺陷增殖加速，降低材料的可靠性。這種變化主要體現(xiàn)在三個(gè)方面1)、減少LED的內(nèi)量子效率；幻、縮短器件的壽命；3)、造成LED發(fā)出光的主波長的偏移，從而導(dǎo)致光源的顏色發(fā)生偏移。隨著器件P-N 結(jié)的溫度的上升，白光LED的發(fā)光的主波長會(huì)向長波方向移動(dòng)。統(tǒng)計(jì)資料表明在100°C的溫度下，波長可以紅移4-9nm，從而導(dǎo)致熒光粉吸收率下降，也會(huì)導(dǎo)致LED輸出光通量的減少。對(duì)于單個(gè)LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)而不能有效散出，則會(huì)導(dǎo)致芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布，芯片的失效率也會(huì)上升。研究表明當(dāng)溫度超過一定值，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升，元件溫度上升，可靠性會(huì)迅速下降。散熱問題成為嚴(yán)重制約半導(dǎo)體LED發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸，在發(fā)光二極管的早期應(yīng)用中，由于功率比較低，產(chǎn)生的熱量很少，散熱問題不需要考慮。隨著高亮度單色和白光二極管的出現(xiàn)，將發(fā)光二極管應(yīng)用于日常照明成為一種趨勢(shì)，而將功率型發(fā)光二極管用于照明， 需要解決的一個(gè)最主要的問題就是散熱。而改善散熱最直接的方法就是通過良好的散熱技術(shù)把LED產(chǎn)生的熱量發(fā)射出去。 LED的散熱技術(shù)主要包括一次散熱技術(shù)和二次散熱技術(shù)。一次散熱技術(shù)指LED的芯片封裝散熱，熱流途徑為LED芯片傳導(dǎo)到封裝芯片的熱沉上。二次散熱技術(shù)指LED照明燈具的散熱設(shè)計(jì)，熱流途徑為LED芯片的封裝熱沉到周圍的空氣。要獲得一種好的封裝結(jié)構(gòu)，首先要有一個(gè)好的檢測方法，那么，找到一種能夠即快速又簡單的測量半導(dǎo)體發(fā)光二極管一次散熱性和二次散熱性好壞的方法顯得尤為重要。這樣能夠快速的推進(jìn)LED封裝結(jié)構(gòu)的研究和改良，在短時(shí)間內(nèi)研發(fā)出好的封裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)而大幅度改善LED的散熱特性。目前，還沒有一種簡單、有效的測量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提出一種檢測半導(dǎo)體發(fā)光二極管一次散熱性和二次散熱性好壞的方法。本發(fā)明是通過測量已封裝好的LED的溫升曲線來確定其一次散熱性和二次散熱性。本發(fā)明的具體步驟如下
1、采用具有脈沖功能和直流輸出功能的電源驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管燈具，將封裝好的半導(dǎo)體LED燈具接上該工作電源，讓電源處于脈沖供電狀態(tài)，其中脈沖電源功能是脈沖寬度在10微秒以下，脈沖周期在1秒以上，脈沖電流幅度與燈具正常工作時(shí)的直流電流值相同， 這樣確保燈具不會(huì)形成其中發(fā)光二極管結(jié)溫變化，同時(shí)保證脈沖驅(qū)動(dòng)下的發(fā)光二極管發(fā)光光譜與正常工作狀態(tài)下的光譜特征一致。再將LED燈具的發(fā)光面聚焦到常規(guī)的可見光光譜儀的入射狹縫中，使得LED燈具能夠作為光譜儀的一種光源，這樣光譜儀就能夠在LED燈具發(fā)出光時(shí)獲得LED燈具的發(fā)光光譜。利用脈沖電源供電方式獲得參考光譜；2、將供電電源處于直流供電狀態(tài)，使得LED燈具能夠按正常工作模式工作，初始時(shí)電源開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)光譜儀處在可以隨時(shí)獲取LED燈具發(fā)光光譜的工作狀態(tài)；3、開啟LED燈具的工作電源，使得LED燈具開始正常發(fā)光，光譜儀就記錄下自燈具開始發(fā)光起往后各個(gè)時(shí)刻的燈具發(fā)光光譜，按記錄的時(shí)間序列給記錄的光譜編號(hào)，每個(gè)光譜都有對(duì)應(yīng)著的測量時(shí)間記錄，測量時(shí)間一般延續(xù)2000秒左右，即保證封裝好的LED燈具達(dá)到了正常工作狀態(tài)下的結(jié)溫穩(wěn)定狀態(tài)，這樣可以保證LED燈具由于加了工作電流后LED 結(jié)溫上升的全部過程都被記錄下來；4、采用中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910055335. 2的“一種LED照明燈具中芯片結(jié)溫的檢測方法”中提出的光譜處理方法，獲得步驟3中每條光譜相對(duì)步驟1中獲得的參考光譜測量每個(gè)時(shí)刻結(jié)溫，其中參考光譜對(duì)應(yīng)的結(jié)溫就是環(huán)境溫度；5、由步驟4獲得的每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的結(jié)溫與環(huán)境溫度的差值為縱坐標(biāo)，時(shí)間上對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為橫坐標(biāo)，形成了封裝結(jié)構(gòu)中LED器件結(jié)溫的溫升曲線，該溫升曲線是一種典型的兩段指數(shù)飽和特征的形狀；6、對(duì)曲線用公式^ = ^^^) + ^^4+)公式進(jìn)行擬合計(jì)算，其中ΔΤ表示結(jié)
溫與環(huán)境溫度的差值，t為時(shí)間，Δ \、ΔΤ2、^和τ 2是擬合參量；通過常規(guī)的最小二乘法擬合獲得，其中得到擬合參量△ T1可以判斷一次散熱性的好壞。ΔΤ2可以判斷二次散熱性的好壞。AT1越小，說明一次散熱性能越好，Δ T2越小，說明二次散熱性能越好。本發(fā)明的方法具有操作簡單，速度快的特點(diǎn)，而且不會(huì)造成浪費(fèi)，LED在測量完成后仍可作為商品出售。


圖1為本發(fā)明測得的燈具1樣品結(jié)溫的溫升曲線，由黑線表示，用說明書中給出的指數(shù)公式擬合得到的曲線由紅線給出，通過擬合獲得了一次散熱性能標(biāo)志指數(shù)AT1值為 70. 06。二次散熱性能指數(shù)Δ T2值為10. 74。圖2為本發(fā)明測得的燈具2樣品結(jié)溫的溫升曲線，由黑線表示，用說明書中給出的指數(shù)公式擬合得到的曲線由紅線給出，通過擬合獲得了一次散熱性能標(biāo)志指數(shù)AT1值為 4.61。二次散熱性能指數(shù)ΔΤ2值為11.47。
具體實(shí)施例方式以下通過實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是通過擬合半導(dǎo)體LED結(jié)溫的溫升曲線得到有效散熱系數(shù)。以下是具體的實(shí)施案例，相關(guān)的實(shí)施方式可以在實(shí)施案例中得到理解實(shí)施例1 LED燈具1，具體測量步驟如下本發(fā)明的具體步驟如下1、采用具有脈沖功能和直流輸出功能的恒流電源，與燈具1相連接，將電源置于脈沖供電模式，其中脈沖電源功能是脈沖寬度為5微秒，脈沖周期為1秒，脈沖電流幅度與燈具正常工作時(shí)的直流電流值相同為0. 5安培，這樣確保燈具不會(huì)形成其中發(fā)光二極管結(jié)溫變化，同時(shí)保證脈沖驅(qū)動(dòng)下的發(fā)光二極管發(fā)光光譜與正常工作狀態(tài)下的光譜特征一致。 將小型光譜分辨率為1納米的可見光光譜儀的入射狹縫與燈具1對(duì)接好，開啟光譜儀，使得光譜儀處在可以隨時(shí)獲取LED燈具發(fā)光光譜的工作狀態(tài)；這樣光譜儀就能夠在LED燈具發(fā)出光時(shí)獲得LED燈具的發(fā)光光譜。由此獲得的光譜就是整個(gè)測量過程中的參考光譜，該光譜對(duì)應(yīng)的結(jié)溫就是燈具測量周邊環(huán)境的溫度，在本實(shí)施例中為25攝氏度。2、將供電電源處于直流供電狀態(tài)，一旦接通，其輸出電流為0. 5安培，使得燈具1 能夠按正常工作模式工作，初始時(shí)電源開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)光譜儀處在可以隨時(shí)獲取 LED燈具發(fā)光光譜的工作狀態(tài)；電源開啟給燈具1通電，使得燈具1開始正常發(fā)光，光譜儀就記錄下了自燈具開始發(fā)光起往后各個(gè)時(shí)刻的燈具發(fā)光光譜，在本次測量中由于LED溫升的特殊性，記錄的時(shí)間是由剛開始的每隔100微秒測量一條光譜，逐漸加大每隔10秒測量一條光譜，同時(shí)把每個(gè)光譜對(duì)應(yīng)著的測量時(shí)間記錄，測量時(shí)間延續(xù)了 2000秒，即保證封裝好的LED燈具1達(dá)到了正常工作狀態(tài)下的結(jié)溫穩(wěn)定狀態(tài)，這樣可以保證LED燈具1由于加了工作電流后LED結(jié)溫上升的全部過程都被記錄下來了 ；3、采用專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910055335. 2的“一種LED照明燈具中芯片結(jié)溫的檢測方法”中提出的光譜處理方法，可以獲得步驟2中每條光譜相對(duì)步驟1中參考光譜獲得的每個(gè)測量時(shí)刻LED器件結(jié)溫；4、由步驟3獲得的每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的結(jié)溫與環(huán)境溫度的差值為縱坐標(biāo)，時(shí)間上對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為橫坐標(biāo)，形成了封裝結(jié)構(gòu)中LED器件結(jié)溫的溫升曲線，為了體現(xiàn)毫秒級(jí)的溫度變化，橫坐標(biāo)用log坐標(biāo)，如圖1所示，其中縱坐標(biāo)就是結(jié)溫與環(huán)境溫度的差值ΔΤ，單位是攝氏度，橫坐標(biāo)是時(shí)間t，單位是秒。顯然該溫升曲線具有兩段指數(shù)的形狀；5、對(duì)曲線用公式δγ = Δ7;(1-+公式進(jìn)行擬合計(jì)算，其中AT表示結(jié)
溫與環(huán)境溫度的差值，t為時(shí)間，Δ \、ΔΤ2、^和τ 2是擬合參量；通過常規(guī)的最小二乘法擬合獲得，圖一中的紅線是擬合曲線，由此擬合曲線得到了八1\和ΔΤ2，AT1的值為70. 06， AT2的值為10. 74。由此AT1值給出表征燈具1的一次散熱性的好壞系數(shù)，Δ T2值給出表征燈具1的二次散熱性的好壞系數(shù)。實(shí)施例2 LED燈具2，具體測量步驟與實(shí)施例1完全相同，最終得到的燈具2的表征一次散熱性好壞的系數(shù)AT1的值為4. 61，表征二次散熱性好壞的系數(shù)ΔΤ2的值為11. 47。由Δ T1 值給出了燈具2的一次散熱的好壞指數(shù)明顯小于燈具1，為此可以認(rèn)為燈具1 一次散熱性的散熱效果明顯優(yōu)于燈具2。由Δ T2值給出了燈具2的二次散熱好壞系數(shù)與燈具1的比較接近，燈具1的二次散熱好壞指數(shù)略小于燈具2。為此可以認(rèn)為燈具1和燈具2的二次散熱性能差不多，燈具1的二次散熱性能略優(yōu)于燈具2。 以上所述的實(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，本發(fā)明的范圍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. 一種檢測半導(dǎo)體發(fā)光二極管一次散熱性和二次散熱性好壞的方法，其特征在于包括以下步驟1)采用具有脈沖功能和直流輸出功能的電源驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管燈具，將封裝好的半導(dǎo)體LED燈具接上該工作電源，讓電源處于脈沖供電狀態(tài)，其中脈沖電源功能是脈沖寬度在 10微秒以下，脈沖周期在1秒以上，脈沖電流幅度與燈具正常工作時(shí)的直流電流值相同；將 LED燈具的發(fā)光面聚焦到常規(guī)的可見光光譜儀的入射狹縫中，使得LED燈具能夠作為光譜儀的一種光源，這樣光譜儀就能夠在LED燈具發(fā)出光時(shí)獲得LED燈具的發(fā)光光譜，利用脈沖電源供電方式獲得參考光譜；2)將具有脈沖功能和直流輸出功能的電源處于直流供電狀態(tài)，使得LED燈具能夠按正常工作模式工作，初始時(shí)電源開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)光譜儀處在可以隨時(shí)獲取LED燈具發(fā)光光譜的工作狀態(tài)；3)開啟LED燈具的工作電源，使得LED燈具開始正常發(fā)光，光譜儀就記錄下自燈具開始發(fā)光起往后各個(gè)時(shí)刻的燈具發(fā)光光譜，按記錄的時(shí)間序列給記錄的光譜編號(hào)，每個(gè)光譜都有對(duì)應(yīng)著的測量時(shí)間記錄，測量時(shí)間延續(xù)2000秒左右，即保證封裝好的LED燈具達(dá)到了正常工作狀態(tài)下的結(jié)溫穩(wěn)定狀態(tài)，這樣可以保證LED燈具由于加了工作電流后LED結(jié)溫上升的全部過程都被記錄下來了；4)采用中國發(fā)明專利“一種LED照明燈具中芯片結(jié)溫的檢測方法”中提出的光譜處理方法，獲得步驟3中每條光譜相對(duì)步驟1中獲得的參考光譜測量每個(gè)時(shí)刻結(jié)溫，其中參考光譜對(duì)應(yīng)的結(jié)溫就是環(huán)境溫度；5)由步驟4獲得的每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的結(jié)溫與環(huán)境溫度的差為縱坐標(biāo)，時(shí)間上對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為橫坐標(biāo)，為了體現(xiàn)毫秒級(jí)的溫度變化，橫坐標(biāo)用log坐標(biāo)，形成了封裝結(jié)構(gòu)中LED器件結(jié)溫的溫升曲線，該溫升曲線包含了一種典型的兩段指數(shù)特征的形狀；6)對(duì)曲線用^= ^(14+) +厶7；(11&公式進(jìn)行擬合計(jì)算，其中ΔΤ表示結(jié)溫與環(huán)境溫度的差值，t為時(shí)間，Δ \、ΔΤ2、^和τ2是擬合參量；^和τ2分別是在毫秒量級(jí)和秒量級(jí)的時(shí)間常數(shù)。通過常規(guī)的最小二乘法擬合獲得，其中得到擬合參量AT1可以判斷一次散熱性的好壞，AT1越大則燈具的一次散熱性越差。Δ T2可以判斷二次散熱性的好壞， Δ T2越大則燈具的二次散熱性越差。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測半導(dǎo)體發(fā)光二極管一次散熱性和二次散熱性好壞的方法。本發(fā)明提出了基于光譜方法的半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)溫與時(shí)間依賴關(guān)系獲得半導(dǎo)體發(fā)光二極管一次散熱性和二次散熱性好壞的新方法。通過光學(xué)測量方法得到溫度和時(shí)間的動(dòng)態(tài)曲線，由兩段指數(shù)擬合該曲線來獲得表征該發(fā)光二極管一次散熱性和二次散熱性好壞的相關(guān)系數(shù)。本發(fā)明可以簡單方便的確定半導(dǎo)體發(fā)光二極管一次散熱性和二次散熱性的好壞，對(duì)于尋找最優(yōu)化的封裝材料和封裝結(jié)構(gòu)，提高發(fā)光二極管的熱可靠性和節(jié)約成本具有重要意義。
文檔編號(hào)G01R31/26GK102226737SQ201110071290
公開日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者何素明, 俞立明, 張波, 李天信, 李志鋒, 王少偉, 程立文, 羅向東, 陸衛(wèi), 陳平平, 陳效雙 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所, 阿旺賽鍍膜技術(shù)(上海)有限公司