二極體晶片的量測裝置及量測方法
2023-05-30 08:38:56 1
專利名稱：二極體晶片的量測裝置及量測方法
技術領域：
本發明是有關於一種二極體晶片的量測裝置及量測方法，且特別是有關於一種可用以量測交流電驅動的二極體晶片的量測裝置及量測方法。
背景技術：
近幾年來，發光二極體(Light Emitting Diode,LED)半導體技術的發展由於技術的提升，使得晶片發光效率大幅提升，也因此增加在各方面的應用性，例如從投影筆到照明應用等，大幅增加了應用的範圍。此外，LED也具有體積小、壽命長、低汙染以及低成本等優點，在光學特性上更具有色彩飽和度佳以及動態色彩控制等特點，因此使得LED相關技術成為目前最受矚目的技術。一般而言，LED最廣為人知就是比起傳統燈源具有更省電，更環保以及體積更小的優勢，交流電驅動LED的出現使得其在照明系統使用上更具競爭力，但是與直流電驅動LED 同樣必須面對晶片電與光的轉換效率低的問題，目前LED的晶片仍是將大部分的輸入電能轉換為熱能，僅少部分轉換為光，因此過熱問題仍是LED技術發展的主要議題。在目前LED 晶片發光效率有限的狀況下，大部份的電源轉換成為熱，也使得發熱密度大幅提升。過熱問題已成為技術發展的瓶頸。而熱阻定義為LED晶片接面處的溫度(Junction Temperature) 減去環境溫度，再除以輸入功率所得的值。此一熱阻值為LED封裝中，判斷散熱能力優劣的標準，如果熱阻值越大，表示散熱能力越差；反之，若熱阻值越小，則散熱能力越好。故熱阻值，提供了一個判斷標準。在LED封裝中，經常需要對散熱元件做最大熱阻的限定，因此元件熱阻的量測， 有其重要性也有其代表性。在計算熱阻的參數中，外界環境溫度，利用熱電耦(Thermo couple)即可很容易量測到。對於一發熱元件，其輸入功率也是已知，可以推算出來。但是在一完整的封裝中，就難以直接量測到晶片的接面溫度，因此一般需要以一種間接的電性量測方法，來獲得晶片接面溫度。若此方法能快速而準確的量測驗證元件的熱傳特性以及熱對光學特性的影響，將有助於提升LED晶片的熱傳設計與驗證，來達到有效的散熱效果。交流電驅動LED與直流電驅動LED相同的情況是皆無法直接量測得到晶片接點溫度，都必須以間接性的電性量測方法換算得到，但是交流電驅動LED的熱阻量測方法有別於直流電驅動LED是由於輸入的電源為交流電，輸入的電壓及電流非一定值，而為一正弦周期波，所以量測方法將與直流電驅動LED有所不同。交流電驅動LED封裝熱阻量測技術的建立，將有助於提升交流電驅動LED的封裝散熱設計。中國臺灣專利200925571揭露一種量測LED特性與晶片溫度的裝置，其量測過程主要有兩個步驟。第一步驟是利用傳導形式及輸入脈衝形式的電流來量測其偏壓值與溫度的TSP(Temperature Sensitive Parameter)校正曲線。第二步驟是量測實際操作情況下的電壓值，再利用TSP校正曲線換算發光二極體晶片溫度及封裝熱阻值。但此設備及方法只可以量測直流電驅動LED。此外，此一前案僅局限於量測直流電源發光二極體，而且並無將光、熱及電三種特性量測方法整合在一起。
美國申請專利申請號US0815403043揭露一交流電驅動LED的接面溫度的量測方法，其量測方法是參考直流電源的發光二極體熱阻量測方法，只是交流發光二極體是以輸入交流電壓的方式量測。其量測過程主要有兩個階段。在第一階段量測步驟，先給予LED 一啟動電壓，控制不同LED基板溫度，並量測LED的電流與基板溫度，以得到LED的特性曲線。在第二階段量測步驟，則另外串聯一微小電阻，以實際地操作額定交流電壓的輸入，並利用雙頻道的數據獲取模塊同時獲取電阻的電阻值以及交流電的電壓值。之後再由電壓波形中找出LED的啟動電壓及其所對應到的電阻的電壓值，以換算成電流值。另外，再獲取其初始電流值與達到熱平衡後的電流值的電流變化量，以依據上述的特性曲線換算得到其溫度變化量。而上述的溫度變化量再加上初始溫度值，即為二極體接面溫度。比較前案專利，中國臺灣專利200925571雖然具備快速量測發光二極體熱阻的功能，但僅局限於量測直流電源發光二極體，而且並無將光、熱及電三種特性量測方法整合在一起。美國申請專利申請號US0815403043量測方法雖可以量測交流電源發光二極體，但是量測程序複雜，需要兩階段步驟，並且在進行第二步驟時需要另外串接一個電阻來量測，而電阻大小不同將影響量測結果，又因不易判斷選擇何種阻值的電阻，故其在量測上會有許多變量及不便性。
發明內容
本發明提供一種二極體晶片的量測裝置及其量測方法，其能準確而快速地量測出二極體晶片在某溫度下的電特性。本發明提出一種二極體晶片的量測方法。上述量測方法包括將該二極體晶片設置在熱傳導元件上。之後，將電壓施加在該二極體晶片，且藉由電流量測單元量測該二極體晶片的瞬間啟動電流，並藉由溫度量測元件量測該熱傳導元件的溫度為第一溫度。在該電壓施加在該二極體晶片後，開始藉由溫度控制模塊，控制該熱傳導元件的溫度，直到該電流量測單元所量測到該二極體晶片的電流等於該瞬間啟動電流為止。當控制該熱傳導元件的溫度後，倘若該電流量測單元所量測到該二極體晶片的電流等於該瞬間啟動電流，則藉由該溫度量測元件量測該熱傳導元件的溫度為第二溫度。所述的二極體晶片的量測方法，更包括計算該二極體晶片於施加該電壓時的一實功率；將該第一溫度減去該第二溫度，以求得該第一溫度與該第二溫度之間的一溫度差；以及將該溫度差除以該實功率，以求得該二極體晶片的一熱阻值。該電壓為交流電壓，而所量測到的該二極體晶片的電流及該瞬間啟動電流為均方根電流。該電壓為直流電壓。該二極體晶片具有至少一發光二極體。本發明提出一種量測裝置。上述量測裝置包括熱傳導元件、電壓源、電流量測單元、溫度量測元件以及溫度控制模塊。所述的熱傳導元件適於設置上述的二極體晶片。所述的電壓源適於將電壓施加在上述的二極體晶片。所述的電流量測單元適於當電壓源施加電壓在二極體晶片時，量測二極體晶片的電流。所述的溫度量測元件適於量測熱傳導元件的溫度。所述的溫度控制模塊適於控制熱傳導元件的溫度。其中當電壓源開始施加電壓在二極體晶片時，電流量測單元量測上述二極體晶片的瞬間啟動電流，且溫度量測元件量測上述熱傳導元件的溫度為第一溫度。其中在上述電壓施加在二極體晶片後，溫度控制模塊開始將上述熱傳導元件的溫度控制至第二溫度，以使上述電流量測單元所量測到二極體晶片的電流等於上述的瞬間啟動電流。上述第二溫度不等於第一溫度。在本發明的一實施例中，上述的量測裝置計算二極體晶片於施加上述電壓時的實功率，且將第一溫度減去第二溫度以求得第一溫度與第二溫度之間的溫度差，並將上述溫度差除以上述實功率以求得二極體晶片的熱阻值。在本發明的一實施例中，上述的電壓為交流電壓，而所量測到的二極體晶片的電流及瞬間啟動電流為均方根電流。在本發明的一實施例中，上述的電壓為直流電壓。在本發明的一實施例中，上述的二極體晶片具有至少一發光二極體。基於上述，本發明的二極體晶片的量測裝置及量測方法，不但可用以量測以直流電驅動的二極體晶片的電特性，亦可用以量測以交流電驅動的二極體晶片的電特性。此外， 本發明使用傳導形式的溫度控制即可達到相當快速且高精準度的控制，並且可快速量測不同晶片接點溫度的光、熱及電特性。以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
圖1是依據本發明一實施例的量測裝置的示意圖；圖2是圖1中的電壓源尚未施加電壓至二極體晶片時流經二極體晶片的電流與時間的關係圖；圖3是圖1中的電壓源開始施加電壓至二極體晶片時流經二極體晶片的電流與時間的關係圖；圖4是當圖1中的溫度控制模塊控制熱傳導元件的溫度時，二極體晶片的電流與時間的關係圖；圖5是依據本發明另一實施例的量測裝置的示意圖。其中，附圖標記100、500:量測裝置10U64:散熱模塊102,266 溫度控制元件104 熱傳導元件105 絕緣薄膜106 二極體晶片107 接腳108:隔熱蓋110:溫度控制器112:電源電錶114:數據讀取卡
116:固定元件118:溫度量測元件258 積分球
具體實施例方式本發明實施例，能使LED的電特性量測與熱特性量測達較完整、快速與準確的結果。此方法除了可量測以直流電驅動的二極體晶片的電特性，亦可用以量測以交流電驅動的二極體晶片的電特性。以下舉一些實施例來描述本發明，但是本發明不受限於所舉實施例。又，所舉實施例之間也可以相互做適當組合，無須限制於單一實施例的內容。請參考圖1，圖1是依據本發明一實施例的量測裝置100的示意圖。參閱圖1，為了達到溫度控制，可由量測裝置100的一溫度控制模塊來控制溫度。上述的溫度控制模塊可以包括一溫度控制元件102，例如加熱器、熱電致冷器等。其中熱電致冷器可將溫度降至低於室溫，以允許量測裝置100在比室溫低的溫度下進行量測。溫度控制元件102帶出的熱源(Heat source)可藉由散熱模塊(Thermal Module) 101來達成穩定的散熱，尤其可在熱電致冷器運作時帶走熱電致冷器的熱能。又，若是採用加熱器增溫則不需要散熱模塊 101。另外溫度控制模塊還包括一些控制電路，這類的控制電路例如是溫度控制器110，以達到溫度控制的效果。溫度控制器110可以是比例積分微分(proportional-integral-de rivative,PID)控制器、停機反應器冷卻(shutdown reactor cooling, SRC)控制器等控制
ο本發明更提出一種利用熱傳導形式(Thermal Conductive Type)的量測方式，以對所要量測的二極體晶片加熱或致冷，達到所要的溫度。例如藉由一熱傳導元件104與溫度控制元件102連接。如此熱傳導元件104可以快速與溫度控制元件102的溫度達到平衡， 得到所要的溫度。熱傳導元件104例如是具有高熱傳導係數的金屬結構層、例如銅、青銅、 鋁等的結構層。在本發明一實施例中，熱傳導元件104表層鍍有一高熱傳導係數的絕緣薄膜105，絕緣薄膜105的材質例如是氧化鋁、類鑽碳(Diamond-like carbon, DLC)薄膜等。 絕緣薄膜105的目的在於利用其電絕緣的特性，使二極體晶片106在測試時不致發生其電流有部分從熱傳導元件104漏失的現象而影響到測量的準確性。另外，量測裝置100可包括一絕熱蓋108，設置在熱傳導元件105上，以構成一隔熱的空間。隔熱蓋108例如可用一些隔熱綿與電木組合而成。在本實施例中，所要測試的二極體晶片106包含至少一個發光二極體，而二極體晶片106是以交流電來驅動。然而，本發明並不以此為限，例如在本發明一實施例中，所要測試的二極體晶片106不包含有發光二極體，而只具有一般非可發光的二極體。又例如在本發明另一實施例中，二極體晶片106是以直流電來驅動。此外，所要測試的二極體晶片 106例如可以藉由導熱膏被黏附到熱傳導元件104上，且是在隔熱蓋108內的隔熱空間內， 以得較佳的穩定溫度。然而，值得注意的，隔熱蓋108對本發明而言並非絕對必要的元件。 另外，在本發明一實施例中，量測裝置100包括兩固定元件116，分別與二極體晶片106的兩接腳107接觸，以將二極體晶片106固定在熱傳導元件104上，並使量測人員可迅速地拆換二極體晶片106。此外，為了避免固定元件116因吸收光線而影響二極體晶片106的熱量測的結果，在本發明其它實施例中，固定元件116可選用白色材質的材料，或在固定元件116上鍍上硫酸鋇。因固定元件116可提供二極體晶片106的電源的機構設計，故可以不需要另外焊接出線，來連接電壓源112與二極體晶片106的兩接腳107。上述的溫度控制模塊另包括一溫度量測元件118，設於二極體晶片106的基板和熱傳導元件104的交接處，並置於二極體晶片106的下方，用於偵測熱傳導元件104的溫度。基本上，因熱傳導元件104和絕緣薄膜105具有極高的熱傳導係數，故溫度量測元件 118所量測到的溫度除了會等於熱傳導元件104的溫度之外，也會等於二極體晶片106的基板溫度。溫度量測元件118可為熱電耦(thermocouple)、熱敏電阻(thermistor)或電阻式溫度傳感器(Resistance Temperature Detector, RTD)。量測裝置100還具有一電壓源112，適於將一電壓施加在二極體晶片106。在本發明一實施例中，電壓源112可以是一電源電錶(Source meter)，其除了可提供電壓給二極體晶片106之外，亦可以同時量測其輸出電流。在本發明另一實施例中，電源電錶112中的用以量測二極體晶片106的電流的量測單元則可從電源電錶112獨立出來，以得到更準確的電流值。所獨立出來的電流量測單元例如是一數據獲取卡(DAQ Card)，其電性連接於電壓源112和二極體晶片106。在本發明一實施例中，數據獲取卡的電流解析度小於0. ImA, 故其所量測到的電流值具有極高的精準度。在量測二極體晶片106的流程中，會先利用上述的溫度控制模塊將二極體晶片 106的基板溫度和熱傳導元件104的溫度控制在某一穩定溫度，例如25°C。此時，電壓源112尚未施加電壓於二極體晶片106，又因熱平衡的緣故二極體晶片106的接面溫度 (junction temperature)會與熱傳導元件104的溫度相同。之後，電壓源112施加電壓至二極體晶片106，以使二極體晶片106開始運作。在電壓源112開始施加電壓至二極體晶片 106的初始期間，電流量測單元114量測二極體晶片106的瞬間啟動電流，而溫度量測元件 118量測熱傳導元件104的溫度為一第一溫度。在本發明一實施例中，倘若二極體晶片106 是以交流電驅動，則電流量測單元114所量測二極體晶片106的瞬間啟動電流會等於流經二極體晶片106的電流的第一個正半波的均方根值。換言之，上述的瞬間啟動電流為均方根電流。因此時二極體晶片106未受到熱效應的影響，故瞬間啟動電流為二極體晶片106 的接面溫度為第一溫度時所對應的電流值。請參考圖2和圖3，其中圖2是電壓源112尚未施加電壓至二極體晶片106時流經二極體晶片106的電流與時間的關係圖，而圖3是電壓源112開始施加電壓至二極體晶片 106時流經二極體晶片106的電流與時間的關係圖。其中，如圖2所示，當電壓源112尚未施加至二極體晶片106時，所對應的電流值為零。另如圖三所示，當電流量測單元114量測二極體晶片106的瞬間啟動電流時，其會依據、至t2期間的所偵測到的二極體晶片106的電流值，計算出二極體晶片106的均方根電流，而所得到的均方根電流即為二極體晶片106 的瞬間啟動電流。此外，在本發明一實施中，倘若二極體晶片106是以直流電壓驅動，則電流量測單元114所偵測到的電流波形將不會如圖3所示，在此情況下，則可依據電壓源112 開始施加至二極體晶片106後的一預設時間間隔，所量測到的二極體晶片106的電流，來計算上述的瞬間啟動電流。其中，上述的預設時間間隔例如小於毫秒等級。在電壓施加在二極體晶片106後，因耗能的緣故，二極體晶片106的溫度會逐漸升高。又因二極體晶片106的溫度升高的緣故，二極體晶片106的電流也會增大。為量測二極體晶片106的特性，在電壓施加在二極體晶片106後，上述的溫度控制模塊開始控制熱傳導元件104的溫度，直到電流量測單元114所量測到的二極體晶片106的電流等於上述的瞬間啟動電流為止。此外，當熱傳導元件104的溫度被控制後，倘若電流量測單元114所量測到二極體晶片106的電流等於上述的瞬間啟動電流，則藉由溫度量測元件118量測此時的熱傳導元件104的溫度為一第二溫度。值得注意的，倘若二極體晶片106是以交流電壓驅動，則電流量測單元114所量測到的二極體晶片106的電流亦為其均方根電流。請參考圖4，圖4是當溫度控制模塊控制熱傳導元件104的溫度時，二極體晶片 106的電流與時間的關係圖。在此一實施中，電流量測單元114所量測到的二極體晶片106 的瞬間啟動電流為27. 05732mA，而因為熱效應的緣故，二極體晶片106的電流提升到約 ^mA。之後，溫度控制模塊開始調降熱傳導元件104的溫度。因熱傳導元件104的溫度的下降，二極體晶片106的接面溫度也會下降，進而使得二極體晶片106的電流也跟著下降。 當熱傳導元件104的溫度下降之後，倘若電流量測單元114所量測到的二極體晶片106的電流等於上述的瞬間啟動電流，則溫度量測元件118此時所量測到的熱傳導元件104的溫度即為上述的第二溫度。以圖4為例，在溫度控制模塊開始調降熱傳導元件104的溫度後的500秒，二極體晶片106的電流即等於二極體晶片106的瞬間啟動電流，而此時溫度量測元件118所量測到的溫度即為上述的第二溫度。在本發明一實施例中，電流量測單元114會計算二極體晶片106在被施加電壓時的一實功率(Real Power)，若二極體晶片106的實功率以PMal表示，則實功率PMal可以下述方程式表示
一 W⑴Xl⑴
權利要求
1.一種二極體晶片的量測方法，其特徵在於，包括 將該二極體晶片設置在一熱傳導元件上；將一電壓施加在該二極體晶片，且藉由一電流量測單元量測該二極體晶片的一瞬間啟動電流，並藉由一溫度量測元件量測該熱傳導元件的溫度為一第一溫度；在該電壓施加在該二極體晶片後，開始藉由一溫度控制模塊，控制該熱傳導元件的溫度，直到該電流量測單元所量測到該二極體晶片的電流等於該瞬間啟動電流為止；以及當控制該熱傳導元件的溫度後，倘若該電流量測單元所量測到該二極體晶片的電流等於該瞬間啟動電流，則藉由該溫度量測元件量測該熱傳導元件的溫度為一第二溫度。
2.根據權利要求1所述的二極體晶片的量測方法，其特徵在於，更包括 計算該二極體晶片於施加該電壓時的一實功率；將該第一溫度減去該第二溫度，以求得該第一溫度與該第二溫度之間的一溫度差；以及將該溫度差除以該實功率，以求得該二極體晶片的一熱阻值。
3.根據權利要求1所述的二極體晶片的量測方法，其特徵在於，該電壓為交流電壓，而所量測到的該二極體晶片的電流及該瞬間啟動電流為均方根電流。
4.根據權利要求1所述的二極體晶片的量測方法，其特徵在於，該電壓為直流電壓。
5.根據權利要求1所述的二極體晶片的量測方法，其特徵在於，該二極體晶片具有至少一發光二極體。
6.一種二極體晶片的量測裝置，其特徵在於，包括 一熱傳導元件，用於設置該二極體晶片；一電壓源，用於將一電壓施加在該二極體晶片；一電流量測單元，用於當該電壓源施加該電壓在該二極體晶片時，量測該二極體晶片的電流；一溫度量測元件，用於量測該熱傳導元件的溫度；以及一溫度控制模塊，用於控制該熱傳導元件的溫度；其中當該電壓源開始施加該電壓在該二極體晶片時，該電流量測單元量測該二極體晶片的一瞬間啟動電流，且該溫度量測元件量測該熱傳導元件的溫度為一第一溫度；其中在該電壓施加在該二極體晶片後，該溫度控制模塊開始將該熱傳導元件的溫度控制至一第二溫度，以使該電流量測單元所量測到該二極體晶片的電流等於該瞬間啟動電流，而該第二溫度不等於該第一溫度。
7.根據權利要求6所述的二極體晶片的量測裝置，其特徵在於，該量測裝置計算該二極體晶片於施加該電壓時的一實功率，將該第一溫度減去該第二溫度以求得該第一溫度與該第二溫度之間的一溫度差，並將該溫度差除以該實功率以求得該二極體晶片的一熱阻值。
8.根據權利要求6所述的二極體晶片的量測方法，其特徵在於，該電壓為交流電壓，而所量測到的該二極體晶片的電流及該瞬間啟動電流為均方根電流。
9.根據權利要求6所述的二極體晶片的量測方法，其特徵在於，該電壓為直流電壓。
10.根據權利要求6所述的二極體晶片的量測方法，其特徵在於，該二極體晶片具有至少一發光二極體。
全文摘要
本發明公開了一種二極體晶片的量測裝置及量測方法。二極體晶片設置於熱傳導元件上。量測裝置會先量測二極體晶片的瞬間啟動電流，並量測熱傳導元件的對應於瞬間啟動電流的第一溫度。當二極體晶片開始操作之後，量測裝置再將熱傳導元件的溫度調整至第二溫度，以使二極體晶片的電流等於上述的瞬間啟動電流。量測裝置依據二極體晶片的實功率以及第一溫度和第二溫度之間的溫度差，計算二極體晶片的屬性。
文檔編號G01R31/26GK102221667SQ20101015174
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月15日 優先權日2010年4月15日
發明者劉君愷, 戴光佑, 戴明吉, 李聖良, 林明德, 許中彥, 譚瑞敏 申請人:財團法人工業技術研究院