CN102221667B - 二极管芯片的量测装置及量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二极管芯片的量测装置及量测方法。二极管芯片设置于热传导元件上。量测装置会先量测二极管芯片的瞬间启动电流，并量测热传导元件的对应于瞬间启动电流的第一温度。当二极管芯片开始操作之后，量测装置再将热传导元件的温度调整至第二温度，以使二极管芯片的电流等于上述的瞬间启动电流。量测装置依据二极管芯片的实功率以及第一温度和第二温度之间的温度差，计算二极管芯片的属性。

Description

二极管芯片的量测装置及量测方法

技术领域

本发明是有关于一种二极管芯片的量测装置及量测方法，且特别是有关于一种可用以量测交流电驱动的二极管芯片的量测装置及量测方法。

背景技术

近几年来，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)半导体技术的发展由于技术的提升，使得芯片发光效率大幅提升，也因此增加在各方面的应用性，例如从投影笔到照明应用等，大幅增加了应用的范围。此外，LED也具有体积小、寿命长、低污染以及低成本等优点，在光学特性上更具有色彩饱和度佳以及动态色彩控制等特点，因此使得LED相关技术成为目前最受瞩目的技术。

一般而言，LED最广为人知就是比起传统灯源具有更省电，更环保以及体积更小的优势，交流电驱动LED的出现使得其在照明***使用上更具竞争力，但是与直流电驱动LED同样必须面对芯片电与光的转换效率低的问题，目前LED的芯片仍是将大部分的输入电能转换为热能，仅少部分转换为光，因此过热问题仍是LED技术发展的主要议题。在目前LED芯片发光效率有限的状况下，大部份的电源转换成为热，也使得发热密度大幅提升。过热问题已成为技术发展的瓶颈。而热阻定义为LED芯片接面处的温度(Junction Temperature)减去环境温度，再除以输入功率所得的值。此一热阻值为LED封装中，判断散热能力优劣的标准，如果热阻值越大，表示散热能力越差；反之，若热阻值越小，则散热能力越好。故热阻值，提供了一个判断标准。

在LED封装中，经常需要对散热元件做最大热阻的限定，因此元件热阻的量测，有其重要性也有其代表性。在计算热阻的参数中，外界环境温度，利用热电耦(Thermo couple)即可很容易量测到。对于一发热元件，其输入功率也是已知，可以推算出来。但是在一完整的封装中，就难以直接量测到芯片的接面温度，因此一般需要以一种间接的电性量测方法，来获得芯片接面温度。若此方法能快速而准确的量测验证元件的热传特性以及热对光学特性的影响，将有助于提升LED芯片的热传设计与验证，来达到有效的散热效果。

交流电驱动LED与直流电驱动LED相同的情况是皆无法直接量测得到芯片接点温度，都必须以间接性的电性量测方法换算得到，但是交流电驱动LED的热阻量测方法有别于直流电驱动LED是由于输入的电源为交流电，输入的电压及电流非一定值，而为一正弦周期波，所以量测方法将与直流电驱动LED有所不同。交流电驱动LED封装热阻量测技术的建立，将有助于提升交流电驱动LED的封装散热设计。

中国台湾专利200925571揭露一种量测LED特性与芯片温度的装置，其量测过程主要有两个步骤。第一步骤是利用传导形式及输入脉冲形式的电流来量测其偏压值与温度的TSP(Temperature Sensitive Parameter)校正曲线。第二步骤是量测实际操作情况下的电压值，再利用TSP校正曲线换算发光二极管芯片温度及封装热阻值。但此设备及方法只可以量测直流电驱动LED。此外，此一前案仅局限于量测直流电源发光二极管，而且并无将光、热及电三种特性量测方法整合在一起。

美国申请专利申请号US0815403043揭露一交流电驱动LED的接面温度的量测方法，其量测方法是参考直流电源的发光二极管热阻量测方法，只是交流发光二极管是以输入交流电压的方式量测。其量测过程主要有两个阶段。在第一阶段量测步骤，先给予LED一启动电压，控制不同LED基板温度，并量测LED的电流与基板温度，以得到LED的特性曲线。在第二阶段量测步骤，则另外串联一微小电阻，以实际地操作额定交流电压的输入，并利用双频道的数据获取模块同时获取电阻的电阻值以及交流电的电压值。之后再由电压波形中找出LED的启动电压及其所对应到的电阻的电压值，以换算成电流值。另外，再获取其初始电流值与达到热平衡后的电流值的电流变化量，以依据上述的特性曲线换算得到其温度变化量。而上述的温度变化量再加上初始温度值，即为二极管接面温度。

比较前案专利，中国台湾专利200925571虽然具备快速量测发光二极管热阻的功能，但仅局限于量测直流电源发光二极管，而且并无将光、热及电三种特性量测方法整合在一起。美国申请专利申请号US0815403043量测方法虽可以量测交流电源发光二极管，但是量测程序复杂，需要两阶段步骤，并且在进行第二步骤时需要另外串接一个电阻来量测，而电阻大小不同将影响量测结果，又因不易判断选择何种阻值的电阻，故其在量测上会有许多变量及不便性。

发明内容

本发明提供一种二极管芯片的量测装置及其量测方法，其能准确而快速地量测出二极管芯片在某温度下的电特性。

本发明提出一种二极管芯片的量测方法。上述量测方法包括将该二极管芯片设置在热传导元件上。之后，将电压施加在该二极管芯片，且借由电流量测单元量测该二极管芯片的瞬间启动电流，并借由温度量测元件量测该热传导元件的温度为第一温度。在该电压施加在该二极管芯片后，开始借由温度控制模块，控制该热传导元件的温度，直到该电流量测单元所量测到该二极管芯片的电流等于该瞬间启动电流为止。当控制该热传导元件的温度后，倘若该电流量测单元所量测到该二极管芯片的电流等于该瞬间启动电流，则借由该温度量测元件量测该热传导元件的温度为第二温度。

所述的二极管芯片的量测方法，更包括：

计算该二极管芯片于施加该电压时的一实功率；

将该第一温度减去该第二温度，以求得该第一温度与该第二温度之间的一温度差；以及

将该温度差除以该实功率，以求得该二极管芯片的一热阻值。

该电压为交流电压，而所量测到的该二极管芯片的电流及该瞬间启动电流为均方根电流。

该电压为直流电压。

该二极管芯片具有至少一发光二极管。

本发明提出一种量测装置。上述量测装置包括热传导元件、电压源、电流量测单元、温度量测元件以及温度控制模块。所述的热传导元件适于设置上述的二极管芯片。所述的电压源适于将电压施加在上述的二极管芯片。所述的电流量测单元适于当电压源施加电压在二极管芯片时，量测二极管芯片的电流。所述的温度量测元件适于量测热传导元件的温度。所述的温度控制模块适于控制热传导元件的温度。其中当电压源开始施加电压在二极管芯片时，电流量测单元量测上述二极管芯片的瞬间启动电流，且温度量测元件量测上述热传导元件的温度为第一温度。其中在上述电压施加在二极管芯片后，温度控制模块开始将上述热传导元件的温度控制至第二温度，以使上述电流量测单元所量测到二极管芯片的电流等于上述的瞬间启动电流。上述第二温度不等于第一温度。

在本发明的一实施例中，上述的量测装置计算二极管芯片于施加上述电压时的实功率，且将第一温度减去第二温度以求得第一温度与第二温度之间的温度差，并将上述温度差除以上述实功率以求得二极管芯片的热阻值。

在本发明的一实施例中，上述的电压为交流电压，而所量测到的二极管芯片的电流及瞬间启动电流为均方根电流。

在本发明的一实施例中，上述的电压为直流电压。

在本发明的一实施例中，上述的二极管芯片具有至少一发光二极管。

基于上述，本发明的二极管芯片的量测装置及量测方法，不但可用以量测以直流电驱动的二极管芯片的电特性，亦可用以量测以交流电驱动的二极管芯片的电特性。此外，本发明使用传导形式的温度控制即可达到相当快速且高精准度的控制，并且可快速量测不同芯片接点温度的光、热及电特性。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是依据本发明一实施例的量测装置的示意图；

图2是图1中的电压源尚未施加电压至二极管芯片时流经二极管芯片的电流与时间的关系图；

图3是图1中的电压源开始施加电压至二极管芯片时流经二极管芯片的电流与时间的关系图；

图4是当图1中的温度控制模块控制热传导元件的温度时，二极管芯片的电流与时间的关系图；

图5是依据本发明另一实施例的量测装置的示意图。

其中，附图标记

100、500：量测装置

101、264：散热模块

102、266：温度控制元件

104：热传导元件

105：绝缘薄膜

106：二极管芯片

107：接脚

108：隔热盖

110：温度控制器

112：电源电表

114：数据读取卡

116：固定元件

118：温度量测元件

258：积分球

具体实施方式

本发明实施例，能使LED的电特性量测与热特性量测达较完整、快速与准确的结果。此方法除了可量测以直流电驱动的二极管芯片的电特性，亦可用以量测以交流电驱动的二极管芯片的电特性。以下举一些实施例来描述本发明，但是本发明不受限于所举实施例。又，所举实施例之间也可以相互做适当组合，无须限制于单一实施例的内容。

请参考图1，图1是依据本发明一实施例的量测装置100的示意图。参阅图1，为了达到温度控制，可由量测装置100的一温度控制模块来控制温度。上述的温度控制模块可以包括一温度控制元件102，例如：加热器、热电致冷器等。其中热电致冷器可将温度降至低于室温，以允许量测装置100在比室温低的温度下进行量测。温度控制元件102带出的热源(Heat source)可借由散热模块(Thermal Module)101来达成稳定的散热，尤其可在热电致冷器运作时带走热电致冷器的热能。又，若是采用加热器增温则不需要散热模块101。另外温度控制模块还包括一些控制电路，这类的控制电路例如是温度控制器110，以达到温度控制的效果。温度控制器110可以是比例积分微分(proportional-integral-derivative，PID)控制器、停机反应器冷却(shutdown reactor cooling，SRC)控制器等控制器。

本发明更提出一种利用热传导形式(Thermal Conductive Type)的量测方式，以对所要量测的二极管芯片加热或致冷，达到所要的温度。例如借由一热传导元件104与温度控制元件102连接。如此热传导元件104可以快速与温度控制元件102的温度达到平衡，得到所要的温度。热传导元件104例如是具有高热传导系数的金属结构层、例如铜、青铜、铝等的结构层。在本发明一实施例中，热传导元件104表层镀有一高热传导系数的绝缘薄膜105，绝缘薄膜105的材质例如是氧化铝、类钻碳(Diamond-like carbon，DLC)薄膜等。绝缘薄膜105的目的在于利用其电绝缘的特性，使二极管芯片106在测试时不致发生其电流有部分从热传导元件104漏失的现象而影响到测量的准确性。另外，量测装置100可包括一绝热盖108，设置在热传导元件105上，以构成一隔热的空间。隔热盖108例如可用一些隔热绵与电木组合而成。

在本实施例中，所要测试的二极管芯片106包含至少一个发光二极管，而二极管芯片106是以交流电来驱动。然而，本发明并不以此为限，例如在本发明一实施例中，所要测试的二极管芯片106不包含有发光二极管，而只具有一般非可发光的二极管。又例如在本发明另一实施例中，二极管芯片106是以直流电来驱动。此外，所要测试的二极管芯片106例如可以借由导热膏被黏附到热传导元件104上，且是在隔热盖108内的隔热空间内，以得较佳的稳定温度。然而，值得注意的，隔热盖108对本发明而言并非绝对必要的元件。另外，在本发明一实施例中，量测装置1()0包括两固定元件116，分别与二极管芯片106的两接脚107接触，以将二极管芯片106固定在热传导元件104上，并使量测人员可迅速地拆换二极管芯片106。此外，为了避免固定元件116因吸收光线而影响二极管芯片106的热量测的结果，在本发明其它实施例中，固定元件116可选用白色材质的材料，或在固定元件116上镀上硫酸钡。因固定元件116可提供二极管芯片106的电源的机构设计，故可以不需要另外焊接出线，来连接电压源112与二极管芯片106的两接脚107。

上述的温度控制模块另包括一温度量测元件118，设于二极管芯片106的基板和热传导元件104的交接处，并置于二极管芯片106的下方，用于侦测热传导元件104的温度。基本上，因热传导元件104和绝缘薄膜105具有极高的热传导系数，故温度量测元件118所量测到的温度除了会等于热传导元件104的温度之外，也会等于二极管芯片106的基板温度。温度量测元件118可为热电耦(thermocouple)、热敏电阻(thermistor)或电阻式温度传感器(Resistance Temperature Detector，RTD)。

量测装置100还具有一电压源112，适于将一电压施加在二极管芯片106。在本发明一实施例中，电压源112可以是一电源电表(Source meter)，其除了可提供电压给二极管芯片106之外，亦可以同时量测其输出电流。在本发明另一实施例中，电源电表112中的用以量测二极管芯片106的电流的量测单元则可从电源电表112独立出来，以得到更准确的电流值。所独立出来的电流量测单元例如是一数据获取卡(DAQ Card)，其电性连接于电压源112和二极管芯片106。在本发明一实施例中，数据获取卡的电流分辨率小于0.1mA，故其所量测到的电流值具有极高的精准度。

在量测二极管芯片106的流程中，会先利用上述的温度控制模块将二极管芯片106的基板温度和热传导元件104的温度控制在某一稳定温度，例如：25℃。此时，电压源112尚未施加电压于二极管芯片106，又因热平衡的缘故二极管芯片106的接面温度(junction temperature)会与热传导元件104的温度相同。之后，电压源112施加电压至二极管芯片106，以使二极管芯片106开始运作。在电压源112开始施加电压至二极管芯片106的初始期间，电流量测单元114量测二极管芯片106的瞬间启动电流，而温度量测元件118量测热传导元件104的温度为一第一温度。在本发明一实施例中，倘若二极管芯片106是以交流电驱动，则电流量测单元114所量测二极管芯片106的瞬间启动电流会等于流经二极管芯片106的电流的第一个正半波的均方根值。换言之，上述的瞬间启动电流为均方根电流。因此时二极管芯片106未受到热效应的影响，故瞬间启动电流为二极管芯片106的接面温度为第一温度时所对应的电流值。

请参考图2和图3，其中图2是电压源112尚未施加电压至二极管芯片106时流经二极管芯片106的电流与时间的关系图，而图3是电压源112开始施加电压至二极管芯片106时流经二极管芯片106的电流与时间的关系图。其中，如图2所示，当电压源112尚未施加至二极管芯片106时，所对应的电流值为零。另如图三所示，当电流量测单元114量测二极管芯片106的瞬间启动电流时，其会依据t₁至t₂期间的所侦测到的二极管芯片106的电流值，计算出二极管芯片106的均方根电流，而所得到的均方根电流即为二极管芯片106的瞬间启动电流。此外，在本发明一实施中，倘若二极管芯片106是以直流电压驱动，则电流量测单元114所侦测到的电流波形将不会如图3所示，在此情况下，则可依据电压源112开始施加至二极管芯片106后的一预设时间间隔，所量测到的二极管芯片106的电流，来计算上述的瞬间启动电流。其中，上述的预设时间间隔例如小于毫秒等级。

在电压施加在二极管芯片106后，因耗能的缘故，二极管芯片106的温度会逐渐升高。又因二极管芯片106的温度升高的缘故，二极管芯片106的电流也会增大。为量测二极管芯片106的特性，在电压施加在二极管芯片106后，上述的温度控制模块开始控制热传导元件104的温度，直到电流量测单元114所量测到的二极管芯片106的电流等于上述的瞬间启动电流为止。此外，当热传导元件104的温度被控制后，倘若电流量测单元114所量测到二极管芯片106的电流等于上述的瞬间启动电流，则借由温度量测元件118量测此时的热传导元件104的温度为一第二温度。值得注意的，倘若二极管芯片106是以交流电压驱动，则电流量测单元114所量测到的二极管芯片106的电流亦为其均方根电流。

请参考图4，图4是当温度控制模块控制热传导元件104的温度时，二极管芯片106的电流与时间的关系图。在此一实施中，电流量测单元114所量测到的二极管芯片106的瞬间启动电流为27.05732mA，而因为热效应的缘故，二极管芯片106的电流提升到约28mA。之后，温度控制模块开始调降热传导元件104的温度。因热传导元件104的温度的下降，二极管芯片106的接面温度也会下降，进而使得二极管芯片106的电流也跟着下降。当热传导元件104的温度下降之后，倘若电流量测单元114所量测到的二极管芯片106的电流等于上述的瞬间启动电流，则温度量测元件118此时所量测到的热传导元件104的温度即为上述的第二温度。以图4为例，在温度控制模块开始调降热传导元件104的温度后的500秒，二极管芯片106的电流即等于二极管芯片106的瞬间启动电流，而此时温度量测元件118所量测到的温度即为上述的第二温度。

在本发明一实施例中，电流量测单元114会计算二极管芯片106在被施加电压时的一实功率(Real Power)，若二极管芯片106的实功率以P_real表示，则实功率P_real可以下述方程式表示：

$P_{\mathrm{real}}=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\frac{V\left(t\right)\×I\left(t\right)}{T}\mathrm{dt}=P_{\mathrm{apparent}}\×\mathrm{PF}---\left(1\right)$

P_apparent＝V_rms×I_rms                  (2)

其中，V(t)为在时间点t施加于二极管芯片106的电压值；

I(t)为在时间点t流经二极管芯片106的电流值；

T为电流电压取样周期，而在本发明一实施例中，倘若二极管芯片106是由交流电压所驱动，则T为该交流电压的周期；

P_apparent为二极管芯片106的视在功率；

V_rms为二极管芯片106的均方根电压值；

I_rms为二极管芯片106的均方根电流值；

PF为二极管芯片106的功率因子(Power Factor)。

之后，量测装置100的一计算电路(未图标)或上述的电流量测单元114会将上述的第一温度减去上述的第二温度，以求得第一温度与第二温度之间的温度差。举例来说，倘若上述的第一温度为T_J，上述的第二温度为T_C，而上述的温度差为ΔT，则：

ΔT＝T_J-T_C                        (3)

之后，上述的计算电路或电流量测单元114将温度差ΔT除以实功率P_real，以求得二极管芯片106的一热阻值。假设二极管芯片106的热阻值等于R_JC，则：

$R_{\mathrm{JC}}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{P_{\mathrm{real}}}=\frac{T_J-T_C}{P_{\mathrm{real}}}---\left(4\right)$

图5是依据本发明另一实施例的量测装置500的示意图。参阅图5，本实施例的基本结构仍与图1的结构相似，但是隔热盖108可以改变为与积分球258与热传导元件104组装在一起，例如利用芯片固定结构来固定二极管芯片，其也可以防止积分球258的漏光。在热传导元件104下方的温度控制单元，例如包含有温度控制元件102以及散热模块101。如此热传导元件104可以快速与温度控制元件102达到相同温度。另外散热模块101配合温度控制元件102一起操作，达到温度的变化控制。另外二极管芯片的电流例如可以借由电源电表112提供。电源电表112同时读出二极管的电压值。另外也可以再增加数据读取卡114，读取更准确的电压值。此外，温度控制器110除了可以控制温度控制元件102的温度以外，也可以同时控制另一个温度控制元件266以对积分球258做温度控制。温度控制元件266也配合散热模块264一起操作。

本实施例可以快速安装二极管芯片并提供电源，无须焊接导出线。再把积分球设计成可加热的球体，即可达到控制热传导元件操作温度与控制环境温度，进而得到光学特性与环境温度(或热传导元件操作温度)的关系。

积分球的作用，例如以散射发光二极管芯片发出的光，并积分加总起来得其光学特性，如此允许本发明也可以同时量测光学特性与热特性的功能。例如当输入为实际输入电流时，做光学特性量测；当输入微小电流时，做芯片温度与热阻量测。积分球，可以设计为有恒温器特性的功能，使此装置能做环境温度的控制，以观测发光二极管的光学特性与环境温度的关系。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种二极管芯片的量测方法，其特征在于，包括：

将该二极管芯片设置在一热传导元件上；

将一电压施加在该二极管芯片，且借由一电流量测单元量测该二极管芯片的一瞬间启动电流，并借由一温度量测元件量测该热传导元件的温度为一第一温度；

在该电压施加在该二极管芯片后，开始借由一温度控制模块，控制该热传导元件的温度，直到该电流量测单元所量测到该二极管芯片的电流等于该瞬间启动电流为止；以及

当控制该热传导元件的温度后，倘若该电流量测单元所量测到该二极管芯片的电流等于该瞬间启动电流，则借由该温度量测元件量测该热传导元件的温度为一第二温度。

2.根据权利要求1所述的二极管芯片的量测方法，其特征在于，更包括：

计算该二极管芯片于施加该电压时的一实功率；

将该第一温度减去该第二温度，以求得该第一温度与该第二温度之间的一温度差；以及

将该温度差除以该实功率，以求得该二极管芯片的一热阻值。

3.根据权利要求1所述的二极管芯片的量测方法，其特征在于，该电压为交流电压，而所量测到的该二极管芯片的电流及该瞬间启动电流为均方根电流。

4.根据权利要求1所述的二极管芯片的量测方法，其特征在于，该电压为直流电压。

5.根据权利要求1所述的二极管芯片的量测方法，其特征在于，该二极管芯片具有至少一发光二极管。

6.一种二极管芯片的量测装置，其特征在于，包括：

一热传导元件，用于设置该二极管芯片；

一电压源，用于将一电压施加在该二极管芯片；

一电流量测单元，用于当该电压源施加该电压在该二极管芯片时，量测该二极管芯片的电流；

一温度量测元件，用于量测该热传导元件的温度；以及

一温度控制模块，用于控制该热传导元件的温度；

其中当该电压源开始施加该电压在该二极管芯片时，该电流量测单元量测该二极管芯片的一瞬间启动电流，且该温度量测元件量测该热传导元件的温度为一第一温度；

其中在该电压施加在该二极管芯片后，该温度控制模块开始将该热传导元件的温度控制至一第二温度，以使该电流量测单元所量测到该二极管芯片的电流等于该瞬间启动电流，而该第二温度不等于该第一温度。

7.根据权利要求6所述的二极管芯片的量测装置，其特征在于，该电流量测单元计算该二极管芯片于施加该电压时的一实功率，将该第一温度减去该第二温度以求得该第一温度与该第二温度之间的一温度差，并将该温度差除以该实功率以求得该二极管芯片的一热阻值。

8.根据权利要求6所述的二极管芯片的量测方法，其特征在于，该电压为交流电压，而所量测到的该二极管芯片的电流及该瞬间启动电流为均方根电流。

9.根据权利要求6所述的二极管芯片的量测方法，其特征在于，该电压为直流电压。

10.根据权利要求6所述的二极管芯片的量测方法，其特征在于，该二极管芯片具有至少一发光二极管。

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