专利名称：一种led照明灯具中芯片结温的检测方法
技术领域：
本发明涉及半导体发光二极管(LED)的检测技术，特别是指一种LED 照明灯具中芯片结温的检测方法。
背景技术：
节能灯组是国际发展趋势，中国在用LED节能灯应用方面已经走在世界 前列，在北京奥运上就是集中体现，并会进一步在上海世博会上得以进一步的 发展。在此高速发展的领域中，对于决定LED节能灯组可靠性的重要技术参 数一LED灯具中的LED芯片结温的有效检测技术已经远远跟不上了，但是该 技术又是LED节能灯得到快速应用发展的必要保障。
LED是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体 中的载流子发生复合而引起光子发射产生可见光。应用半导体pn结发光原理 制成LED问世于20世纪60年代初，1996年由日本Nichia公司(日亚)成功 开发出白光LED。 LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动、响应速 度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域； 在我们的日常生活中也处处可见，如家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防 雾灯、交通信号灯等。近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入， LED制造工艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发和应用，各 种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍。 然而要真正使得这样的LED照明能够广泛应用，其可靠性是极其重要的，决 定其可靠性的关键是pn结的结温，特别是形成LED照明灯组后的结温状态的获取成为了 LED照明应用工程中必须解决的可靠性问题的关键技术所在。
结温作为衡量一个LED器件性能优劣的重要参数，是LED器件工程应用 中可靠性测量的核心要素，也是LED检测产品中的主要产品。对结温的测量 可以用于LED灯具可靠性和使用寿命的研究，因此，准确测量半导体发光二 极管的结温具有重要的实际意义。到目前为此，国内外的各类检测结温的产品 大多是利用电学性质、热学性质、光度和色度学性质来测量结温。目前，测量 LED结温的方法通常有以下几种1，正向电压法利用LED电输运的温度效 应，在恒定电流的条件下，得到正向电压与结温的线性关系；2，管脚法是 利用LED的管脚温度，通过耗散功率和热阻系数求得结温；3，蓝白比法是 一种非接触的测量方法，是利用白光LED电致发光光谱中蓝光与白光的功率 比值来测量结温；4，红外摄像法是常用的测量结温分布的方法，但是其成 本高，速度慢，而且器件是未封装或开封的状态。然而这些方法都是局限在单 管LED器件的测量，对于数十乃至数百个单管串并联的LED灯组的检测来说， 由于电学上形成的相互串扰带来的复杂性，使得所有电学方法很难应用；而红 外方法由于封装后，灯具内的LED芯片不再简单地裸露在外面，为此芯片上 辐射出的红外线被封装材料阻挡，使得红外非接触测量方法失效；光谱学的蓝 白比法是最适合灯具测量的，但是其精度在文献上报道的最好结果仅为±2度， 并且需要有产品的先验知识，蓝光发光波长的移动会导致测量值的很大移动， 给测量方法中的定标问题带来了很大困难，为此难以实际应用。我们用LED 材料禁带宽度随温度变化规律来确定LED灯具中LED芯片的结温，目前这种 方法仅能将结温定到误差大于10度的精度，主要是受阻于从发光光谱上确定 结区材料禁带宽度误差较大，迄今还没有有效的方法能够把LED照明灯具中 的芯片结温测量的精度精确到1度以内。在LED照明灯具工程应用越来越多的情况下，为了考察灯具可靠性，愈来愈需要能够高精度的测量LED照明灯
具中芯片结温。
发明内容
本发明的目的就是提出一种能够达到高精度的LED照明灯具中芯片结温 的检测方法。
本发明是根据其发光峰位的移动来判断正常工作状态下LED灯具中的芯 片结温。
本发明的具体技术方案如下
1， 首先为了禁带宽度的发光峰峰位的准确确定，主要是排除来自荧光 粉的荧光对发光峰的影响。为此需要选择合适的发光峰波段范围来确定峰位。 为此采用的方法是A，对灯具的结温稳定在某一个温度的灯具光谱进行多次 测量(如10次以上)，获得10条以上光谱数据。B，以数据上的峰位值为中心 点，向两侧不断扩充，考察依据扩充后的数据段拟合出来的峰位离散度，取离 散度最小的扩充数据为该灯具的结温测定用的光谱段。C，最后光谱峰位的确定 由洛仑兹线型与高斯线型的混合线型拟合得到，使得峰位的确定精度在数据提 取上达到最高。如图l所示为灯具在45度时的光谱图，圆圈为实验点，实线 为拟和曲线，可以看到拟和曲线与实验点吻合良好。
2， 检测系统如图3所示:LED灯具连接到占空比可调的程控稳压电源， 电压源通过串口由计算机控制调节其占空比使LED灯具发光；计算机的另一边 通过USB接口控制光谱仪，LED灯具发的光经光纤耦合引进入光谱仪。这样该 系统能较方便地检测LED灯具的发光。
3， 测量时，首先在低重复频率和低占空比的脉冲电源作用下(脉冲周 期为10ms以上，通电占空比小于5%)，脉冲电流的峰值大小与灯具正常工作时直流电流值相同，脉冲的上升沿的时间要控制在脉冲宽度5%以内，应用上
述第1点方法高精度地从LED灯具的发光谱中得出发光峰位A。
4， 改变电源使其工作在直流状态下，稳定后测得此时的LED灯具发光 谱，应用上述第1点方法高精度地定出发光峰位^。
5， 由^与^之差zu，定出在脉冲与直流电源驱动下的结温差异A:r。确
定结温T所采用的具体公式为
c = 27.8 ± 0.2, d = —1.22 ±0.08
由于上述第3点中脉冲电源驱动下灯具结温就是室温 ;，从而可得出灯具 工作状态下的结温r为r。+Ar。 本发明有如下优点-
l，该方法克服了常规电学方法和红外摄像方法确定结温中的不足，该方
法与灯具各个单管之间相互连接的电路无关，也与灯具对LED单管的封装状 态无关，为此适合于不同种类的灯具产品和不同厂家来源的灯具产品。
2，该方法克服了光学蓝白比方法对于LED芯片中量子结构差异导致的蓝 光发光波长漂移带来的标定困难，该方法与LED中量子结构参数是如何取的 无关，因为各家厂家为了优化LED性能会不断的优化LED量子结构中各种参 数，这样对于现有的蓝白比方法会形成影响。但本方法不受此影响。
3，该方法克服了常规确定LED发光峰位误差大的不足，能够把光谱的 峰位定得更准，使得结温的确定精度提升到1度，满足灯具进行可靠性检测所 要求的结温测量精度。
图l: 45度结温光谱图，实线为拟和曲线，圆圈为实验点。图2: 45度峰位局部放大图，以及另外四个结温温度点下的峰位局部放大 图，从左至右依次为45度，60度，75度，90度和105度。可以清晰地看到随 着结温上升，曲线不断红移(长波长方向)。
图3:检测系统示意图。
图4:灯具稳定后的测量值，插图为LED灯具的光谱，三角和园点分别为 同一灯具在二种热环境下测量的结温。
具体实施例方式
下面通过实施例及附图对本发明作进一步的详细说明。
1，将被测的LED灯具接通电源发光，LED灯具额定功率100瓦，额定电压 32 34伏，本实例中采用33V稳压电压源供电，电压源占空比为1%和直流二 种模式。通过光纤将灯具所发的光直接引到光谱仪内部。应用光谱仪可以得到 LED灯具如图4插图所示的光谱，用1%和直流二种供电电模式得到的光谱很 相近，然而在约450纳米处的光谱峰会有很小的移动，这一移动量就是由于二 种供电模式下结温不同引起的，本发明就是要高精度地确定该移动量。
2，在低重复频率和低占空比的脉冲电源作用下(脉冲周期为10ms，通电占 空比1%)，脉冲电流的峰值大小与灯具正常工作时直流电流值相同为2. 7安培， 脉冲的上升沿的时间0. 5ms，应用技术方案的第1点方法，在此脉冲电源工作 状态下，测量了10条光谱后，通过计算选出了峰位周围约20纳米光谱范围是 确定峰位的最佳波段，为此高精度地从LED灯具的发光谱中得出发光峰位4，
并记下此时温度r。。
3，改变电源使其工作在直流状态(100%占空比)下，稳定后测得此时的LED 灯具发光谱，应用技术方案的第1点方法，在此直流电源工作状态下，测量了 10条光谱后，通过计算选出了峰位周围约20纳米光谱范围是确定峰位的最佳波段，为此高精度地定出发光峰位^。 4，由^与A之差zu，应用公式
c = 27.8 ± 0.2, d = —1.22 ± 0.08
定出在脉冲与直流电源驱动下的结温差异Ar。而脉冲电源驱动下灯具结温就 是室温r。，从而可得出灯具工作状态下的结温r。+Ar。
5，对于灯具在正常的直流电源驱动下工作了 20分钟后结温的大小如图4 中三角点和圆点所示，它们分别对应着与背景室温7;:300K的结温差异 a:t =14. 8K和Ar =12. 7K ，这样它们的结温分别为r。 + Ar =314. 8K和 r。 + Ar=3l2.7K， 二者的差异是因为灯具处于不同的散热环境中。它们的误差
可以从其随时间的涨落中看到，其波动在土0.6度以内，达到了高精度确定灯
具中结温的目的。
如上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本 领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本专利的范围并不仅 局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰， 仍涵盖在本发明的保护范围。
权利要求
1.一种测量LED灯具中LED芯片结温的方法，其特征在于具体步骤如下A.将被测的LED灯具接通电源使LED发光，通过光纤将灯具所发的光直接引到光谱仪内部；B.首先在低重复频率和低占空比的脉冲电源作用下，脉冲电流的峰值大小与灯具正常工作时直流电流值相同，脉冲的上升沿的时间要控制在脉冲宽度5％以内，确定发光峰位λ1；C.改变电源使其工作在直流状态下，稳定后测得此时的LED灯具发光谱，确定发光峰位λ2；D.由λ2与λ1之差Δλ，定出在脉冲与直流电源驱动下的结温差异ΔT。而脉冲电源驱动下灯具结温就是工作环境温度T0，通常是室温，从而可得出灯具工作状态下的结温T0+ΔT。
2. 根据权利要求1所述的一种测量LED灯具中LED芯片结温的方法，其 特征在于所述的步骤B和C中确定发光峰位4、 4的方法包括以下步骤(1) 对灯具的结温稳定在某一个温度的灯具光谱进行多次测量(如10次以上)，获得10条以上光谱数据；(2) 以数据上的峰位值为中心点，向两侧不断扩充，考察依据扩充后的数据段拟合出来的峰位离散度，取离散度最小的扩充数据为该灯具的结温测定用的光谱段；(3) 最后光谱峰位的确定由洛仑兹线型与高斯线型的混合线型拟合得到， 使得峰位的确定精度在数据提取上达到最高。
全文摘要
本发明公开了一种检测LED照明灯具中芯片结温的方法。本发明是根据LED材料禁带宽度随温度的变化规律来确定LED灯具中LED芯片结温，包括三个步骤①通很低占空比的脉冲电压，直接获得LED芯片在此温度下的发光峰位；②正常工作条件下，测量LED灯具发光峰位，对比从中得出发光峰位的漂移量即两者之差，利用波长的漂移量定出两者的温度差异；③由于①是在很低脉冲电压下测量，温度就等于室温，室温加上两者的温度差异判断在此条件下LED灯具中LED芯片的温度。本发明可在±0.6度的误差范围内表征在不同条件下LED照明灯具中LED芯片的实际温度，有利于LED灯具的性能表征和优化研究。
文档编号G01J5/60GK101614592SQ20091005533
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月24日 优先权日2009年7月24日
发明者何素明, 波 张, 宁 李, 李天信, 李志锋, 胡伟达, 郭少令, 卫 陆, 陈平平, 陈效双 申请人:中国科学院上海技术物理研究所