一種檢測半導體發光二極體封裝結構有效散熱性的方法
2023-06-15 06:30:56
專利名稱：一種檢測半導體發光二極體封裝結構有效散熱性的方法
技術領域：
本發明涉及半導體發光二極體(LED)測試技術，特別是指一種檢測半導體發光二 極管封裝結構有效散熱性的方法。
背景技術：
LED是一種注入電致發光器件，在外加電場的作用下，電子和空穴的輻射複合將一 部分能量轉化為光能，而無輻射複合產生的晶格振蕩將其餘的能量轉化為熱能。對於目前 技術成熟的功率型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 化成了熱能，對於半導體器件，隨著溫度的變化，其特性會有明顯的變化。特別是LED，結溫 的升高會導致器件光性能的變化與衰減，也導致LED半導體材料的缺陷增殖加速，降低材 料的可靠性。這種變化主要體現在三個方面1)、減少LED的內量子效率；2)、縮短器件的 壽命；3)、造成LED發出光的主波長的偏移，從而導致光源的顏色發生偏移。隨著器件P-N 結的溫度的上升，白光LED的發光的主波長會向長波方向移動。統計資料表明在100°C的 溫度下，波長可以紅移4-9nm，從而導致螢光粉吸收率下降，也會導致LED輸出光通量的減 少。對於單個LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的晶片內而不能有效散出，則會導致晶片 溫度升高，引起熱應力的非均勻分布，晶片的失效率也會上升。研究表明當溫度超過一定 值，器件的失效率將呈指數規律攀升，元件溫度上升，可靠性會迅速下降。散熱問題成為嚴重製約半導體LED發展和應用的瓶頸，在發光二極體的早期應用 中，由於功率比較低，產生的熱量很少，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，將發光二極體應用於日常照明成為一種趨勢，而將功率型發光二極體用於照明， 需要解決的一個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封裝結構把LED產生的熱量發射出去。 要獲得一種好的封裝結構，必須有一個好的檢測方法，那麼，找到一種能夠即快速又簡單的 測量半導體發光二極體封裝結構有效散熱性的方法顯得尤為重要。這樣能夠快速的推進 LED封裝結構的研究和改良，在短時間內研發出好的封裝結構，進而大幅度改善LED的散熱 特性。目前，還沒有一種能夠簡單、有效的測量方法。
發明內容
本發明的目的就是要提出一種檢測半導體發光二極體封裝結構有效散熱性的方 法。本發明是通過測量已封裝好的LED的溫升曲線來確定其封裝結構的有效散熱性。本發明的具體步驟如下1、採用具有脈衝功能和直流輸出功能的電源驅動發光二極體燈具，將封裝好的半 導體LED燈具接上該工作電源，讓電源處於脈衝供電狀態，其中脈衝電源功能是脈衝寬度 在10微秒以下，脈衝周期在1秒以上，脈衝電流幅度與燈具正常工作時的直流電流值相同， 這樣確保燈具不會形成其中發光二極體結溫變化，同時保證脈衝驅動下的發光二極體發光光譜與正常工作狀態下的光譜特徵一致。再將LED燈具的發光面聚焦到常規的可見光光譜 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 發出光時獲得LED燈具的發光光譜。利用脈衝電源供電方式獲得參考光譜。2、將供電電源處於直流供電狀態，使得LED燈具能夠按正常工作模式工作，初始 時電源開關處於關斷狀態，同時光譜儀處在可以隨時獲取LED燈具發光光譜的工作狀態；3、開啟LED燈具的工作電源，使得LED燈具開始正常發光，光譜儀就記錄下自燈具 開始發光起往後各個時刻的燈具發光光譜，按記錄的時間序列給記錄的光譜編號，每個光 譜都有對應著的測量時間記錄，測量時間一般延續60秒左右，即保證封裝好的LED燈具達 到了正常工作狀態下的結溫穩定狀態，這樣可以保證LED燈具由於加了工作電流後LED結 溫上升的全部過程都被記錄下來了；4、採用中國發明專利申請號為200910055335. 2的「一種LED照明燈具中晶片結溫 的檢測方法」中提出的光譜處理方法，獲得步驟3中每條光譜相對步驟1中獲得的參考光譜 測量每個時刻結溫，其中參考光譜對應的結溫就是環境溫度；5、由步驟4獲得的每個時刻對應的結溫為縱坐標，時間上對應的時刻為橫坐標， 形成了封裝結構中LED器件結溫的溫升曲線，該溫升曲線是一種典型的指數飽和特徵的形 狀。6、對曲線用公式T = Ae_Dt+B進行擬合計算，其中T和t表示結溫和時間，A、D和B 是擬合參量。通過常規的最小二乘法擬合後便可以獲得，得到該封裝結構有效散熱係數D。 D值的大小反應了 了該封裝結構有效散熱性的好壞。D值越大，說明該結構散熱性越好。本發明的方法具有操作簡單，速度快的特點，而且不會造成浪費，LED在測量完成 後仍可作為商品出售。
圖1為本發明測得的燈具1樣品結溫的溫升曲線，由黑線表示，用說明書中給出的 指數公式擬合得到的曲線由紅線給出，通過擬合獲得了散熱效果標誌指數D值為0. 09。圖2為本發明測得的燈具2樣品結溫的溫升曲線，由黑線表示，用說明書中給出的 指數公式擬合得到的曲線由紅線給出，通過擬合獲得了散熱效果標誌指數D值為0. 01。
具體實施例方式以下通過實施例及附圖對本發明作進一步的詳細說明。本發明是通過擬合半導體LED結溫的溫升曲線得到有效散熱係數。以下是具體的 實施案例，相關的實施方式可以在實施案例中得到理解實施例1 由100多顆LED晶片封裝成的LED燈具為檢測對象，稱其為燈具1，具體測量步驟 如下本發明的具體步驟如下1、採用具有脈衝功能和直流輸出功能的恆流電源，與燈具1相連接，將電源置於 脈衝供電模式，其中脈衝電源功能是脈衝寬度為5微秒，脈衝周期為1秒，脈衝電流幅度與 燈具正常工作時的直流電流值相同為0. 5安培，這樣確保燈具不會形成其中發光二極體結溫變化，同時保證脈衝驅動下的發光二極體發光光譜與正常工作狀態下的光譜特徵一致。 將小型光譜解析度為1納米的可見光光譜儀的入射狹縫與燈具1對接好，開啟光譜儀，使得 光譜儀處在可以隨時獲取LED燈具發光光譜的工作狀態；這樣光譜儀就能夠在LED燈具發 出光時獲得LED燈具的發光光譜。由此獲得的光譜就是整個測量過程中的參考光譜，該光 譜對應的結溫就是燈具測量周邊環境的溫度，在本實施例中為17攝氏度。2、將供電電源處於直流供電狀態，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，初始時電源開關處於關斷狀態，同時光譜儀處在可以隨時獲取 LED燈具發光光譜的工作狀態；電源開啟給燈具1通電，使得燈具1開始正常發光，光譜儀 就記錄下了自燈具開始發光起往後各個時刻的燈具發光光譜，在本次測量中記錄的時間基 本上是每隔30毫秒測量一條光譜，同時把每個光譜對應著的測量時間記錄，測量時間延續 了 60秒，即保證封裝好的LED燈具1達到了正常工作狀態下的結溫穩定狀態，這樣可以保 證LED燈具1由於加了工作電流後LED結溫上升的全部過程都被記錄下來了 ；3、採用專利申請號為200910055335. 2的「一種LED照明燈具中晶片結溫的檢測方 法」中提出的光譜處理方法，可以獲得步驟2中每條光譜相對步驟1中參考光譜獲得的每個 測量時刻LED器件結溫；4、由步驟3獲得的每個時刻對應的結溫為縱坐標，時間上對應的時刻為橫坐標， 形成了封裝結構中LED器件結溫的溫升曲線，如圖1所示，其中縱坐標就是結溫T，單位是攝 氏度，橫坐標是時間t，單位是秒。顯然該溫升曲線是一種典型的指數飽和特徵的形狀；5、對曲線用公式T = Ae_Dt+B進行擬合計算，其中T和t表示結溫和時間，A、D和 B是擬合參量。通過常規的最小二乘法擬合後便可以獲得，圖1中的紅線是擬合曲線，有此 擬合曲線得到了燈具1封裝結構有效散熱係數D，對於燈具1，其D值為0. 09。有此D值給 出了表徵燈具1散熱的好壞指數。實施例2 由300多顆與燈具1內使用的LED晶片相同的晶片封裝成的LED燈具為檢測對象， 稱其為燈具2，具體測量步驟與實施例1完全相同，最終得到的燈具2封裝結構有效散熱系 數D值為0. 01。有此D值給出了燈具2散熱的好壞指數小於燈具1，為此可以認為燈具1 的封裝散熱效果明顯優於燈具2。以上所述的實施例僅為了說明本發明的技術思想及特點，其目的在於使本領域的 技術人員能夠了解本發明的內容並據以實施，本發明的範圍不僅局限於上述具體實施例， 即凡依本發明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍涵蓋在本發明的保護範圍。
權利要求
1. 一種檢測半導體發光二極體封裝結構有效散熱性的方法，其特徵在於包括以下步驟(1)採用具有脈衝功能和直流輸出功能的電源驅動發光二極體燈具，將封裝好的半導 體LED燈具接上該工作電源，讓電源處於脈衝供電狀態，其中脈衝電源功能是脈衝寬度在 10微秒以下，脈衝周期在1秒以上，脈衝電流幅度與燈具正常工作時的直流電流值相同；將 LED燈具的發光面聚焦到常規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燈具發出光時獲得LED燈具的發光光譜，利用脈衝 電源供電方式獲得參考光譜；(2)將具有脈衝功能和直流輸出功能的電源處於直流供電狀態，使得LED燈具能夠按 正常工作模式工作，初始時電源開關處於關斷狀態，同時光譜儀處在可以隨時獲取LED燈 具發光光譜的工作狀態；(3)開啟LED燈具的工作電源，使得LED燈具開始正常發光，光譜儀就記錄下自燈具開 始發光起往後各個時刻的燈具發光光譜，按記錄的時間序列給記錄的光譜編號，每個光譜 都有對應著的測量時間記錄，測量時間延續60秒左右，即保證封裝好的LED燈具達到了正 常工作狀態下的結溫穩定狀態，這樣可以保證LED燈具由於加了工作電流後LED結溫上升 的全部過程都被記錄下來了；(4)採用中國發明專利「一種LED照明燈具中晶片結溫的檢測方法」中提出的光譜處理 方法，獲得步驟3中每條光譜相對步驟1中獲得的參考光譜測量每個時刻結溫，其中參考光 譜對應的結溫就是環境溫度；(5)由步驟4獲得的每個時刻對應的結溫為縱坐標，時間上對應的時刻為橫坐標，形成 了封裝結構中LED器件結溫的溫升曲線，該溫升曲線是一種典型的指數飽和特徵的形狀；(6)對曲線用公式T= Ae_Dt+B進行擬合計算，其中T和t表示結溫和時間，A、D和B是 擬合參量；通過常規的最小二乘法擬合獲得，其中得到擬合參量D為該封裝結構有效散熱 係數。
全文摘要
本發明公開了一種檢測半導體發光二極體封裝結構有效散熱性的方法。本發明提出了基於光譜方法的半導體發光二極體結溫與時間依賴關係獲得半導體發光二極體封裝結構有效散熱性的好壞的新方法。通過光學測量方法得到溫度和時間的動態曲線，由指數擬合該曲線來獲得表徵該封裝結構有效散熱性的等效散熱係數。本發明可以簡單方便的確定半導體發光二極體封裝結構有效散熱性，對於尋找最優化的封裝材料和封裝結構，提高發光二極體的熱可靠性和節約成本具有重要意義。
文檔編號G01M11/00GK102004028SQ20101028536
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月17日 優先權日2010年9月17日
發明者何素明, 俞立明, 傅雷, 張波, 楊衛橋, 程立文, 羅向東, 郭少令, 郭延生, 陸衛, 陳效雙 申請人:上海半導體照明工程技術研究中心, 上海宇豪光電技術有限公司, 中國科學院上海技術物理研究所, 阿旺賽鍍膜技術(上海)有限公司