专利名称：测试功率型led热阻的方法及其专用芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及在设计或者改进功率型LED的过程中，对功率型LED器件的热阻特性进行精确测量的技术。
背景技术：
功率型LED，亦即功率型发光二极管，其输入功率是普通LED的几倍、几十倍，甚至有可能达到几百上千倍，为了将功率型LED工作过程产生的热量及时散发出去，保证功率型LED工作时的温度在允许范围之内，使功率型LED能够高效率、高可靠地长期工作，要求功率型LED器件具有很小的热阻，这就需要在设计或者改进功率型LED封装结构、封装材料、封装工艺的过程中，不断测量功率型LED的热阻，评价新设计或改进对热阻的影响。
传统的功率型LED热阻测试方法通常有直接法和间接法。这两种方法的共同点都是先制造好功率型LED，然后再对其进行测量。两种方法的不同点在于直接法采用已知辐射系数的物质覆盖功率型LED的芯片，芯片通电后，通过辐射能量来测定结温，或者用液晶覆盖芯片，芯片通电后，根据测试液晶的颜色来测定芯片温度，这种方法需要价格非常昂贵的专用测试设备，在测试过程中需要将功率型LED的包封材料去除，操作起来非常复杂，去除包封材料也破坏了器件本身的散热结构，影响了测试的准确性；间接法也称电学法，主要是利用恒流驱动时，PN结正向压降与温度的变化关系，测量时，首先给芯片通以小脉冲检测电流，测量此时PN结的正向压降，接着将芯片电流变为正常工作电流，待达到热平衡后，再将工作电流改变为与前述脉冲检测电流幅度和脉宽完全相同的检测电流，测量PN结的正向压降，根据前后测试正向压降的不同，结合正向压降与温度的变化关系得到芯片的PN结温度升高量，并进一步得到功率型LED的热阻值，这种方法虽然不破坏器件的封装结构，但其主要缺点是电流转换过程中热量损失造成热阻的测试误差较大，而且以脉冲检测电流测得的可能是瞬态热阻，和实际情况不一样，再者，检测脉冲电流在PN结上的正向压降也需要专用的测试仪器，难以降低研发成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的测试功率型LED热阻的方法，以及用于该方法的专用芯片，采用这种方法和专用芯片可提高测量的准确性，并能降低功率型LED的研发成本。
为实现上述目的，本发明提供的测试方法包括以下步骤a、制造专用芯片，该芯片具有以下特点芯片内集成有两个LED单元，两个单元的外延层和电极层结构相同，并且都与所设计的功率型LED外延层和电极层结构相同，其中一个单元的面积与所设计的功率型LED芯片面积接近，作为加热单元，另一单元的面积较小，作为检测单元；b、对该专用芯片进行封装，制成待测试的功率型LED，所采用的封装工艺与所设计的功率型LED相同或相似，使得待测试的功率型LED与所设计的功率型LED，除了芯片结构多了一个检测单元，以及由此而增加的引脚外，在其它方面尽可能相同；c、对该待测试的功率型LED进行测量，首先给检测单元通以一个小的恒定电流，测量此时的正向压降，然后在加热单元上通以恒定的加热电流，加热电流值与所设计的功率型LED工作电流相同，用来模拟所设计的功率型LED芯片工作时的发热状况，达到热平衡后，测量加热单元的正向压降和加热电流，并再次测量检测单元的正向压降；d、根据加热前后检测单元正向压降的变化，结合正向压降与温度的变化关系得到检测单元PN结的温度变化值，再由该温度变化值，根据热阻的定义得到功率型LED的热阻。
由上述步骤以及所采用的专用芯片结构可见，本发明与传统测试方法的关键区别点在于，传统测试方法是先制造好所设计的功率型LED，再对其进行测量，而本发明是用专用芯片来模拟所设计的功率型LED芯片。由于专用芯片与所设计的功率型LED芯片具有相同的外延层和电极层结构，而且其中的加热单元面积与所设计的功率型LED芯片面积接近，在用该专用芯片制成待测试的功率型LED时，也采用了与所设计的功率型LED相同或相似的封装工艺，因此可利用专用芯片准确模拟出所设计的功率型LED的热工特性，通过测量、计算得到所设计的功率型LED的热阻。在测量过程中，由于施加在检测单元上的是较小的恒定电流，因此其发热量对整个专用芯片的热分布影响很小，而且由于施加在检测单元和加热单元上的电流各自独立，不存在加热电流与检测电流的转换过程，减小了测试误差，再者，与采用脉冲检测电流的方式相比，测量恒定电流在PN结上的正向压降更加容易，测量结果也更准确，而且无需采用昂贵的专用测试仪器。由此可见本发明提高了测试功率型LED热阻的准确性，而且降低了功率型LED的研发成本。
本发明的优点在于可采用与功率型LED芯片完全相同的制作工艺生产专用芯片，甚至可以在生产功率型LED芯片的同时，制作出专用芯片，便于功率型LED生产厂自行制造，或者由芯片制作厂批量化生产，以达到降低专用芯片制造成本的目的，而且测量过程中无需昂贵的专用测试设备，利用电流表、电压表等通用设备即可进行测量，不但降低了测试成本，而且便于操作，有利于功率型LED生产厂或者相关的科研机构以更低的成本开展功率型LED的产品开发以及改进工作。
图1是专用芯片可采用的电极图形实施例1；图2是图1的电路原理图；图3是专用芯片可采用的电极图形实施例2；图4是图3的电路原理图；图5是专用芯片可采用的电极图形实施例3；图6是图5的电路原理图；图7是专用芯片可采用的电极图形实施例4；图8是图7的电路原理图；图9是专用芯片可采用的电极图形实施例5；图10是图9的电路原理图。
具体实施例方式
下面对本发明作进一步详细说明。
测试方法包括以下步骤a、制造出专用芯片，在芯片内集成两个LED单元，两个单元的外延层和电极层结构都与所设计的功率型LED芯片相同，亦即各层材料组分、结构、厚度等都与所设计的功率型LED芯片相同，而且如果所设计的功率型LED芯片具有各种辅助层，那么专用芯片也增加相应的辅助层。两个LED单元中的一个单元为加热单元，该单元的面积应与所设计的功率型LED芯片面积尽可能接近，目的是为了使该单元能够承受较高的电流，并能尽可能准确地模拟所设计的功率型LED的发热情况。另一个LED单元为检测单元，该单元的面积应尽可能地小，最好不要超过专用芯片总面积的四分之一，以尽可能地减小检测单元对整个专用芯片的热分布影响。由于专用芯片与所设计的功率型LED芯片具有相同的外延层和电极层结构，因此可采用与功率型LED芯片完全相同的制作工艺来制造。
b、对专用芯片进行封装，制成待测试的功率型LED。封装工艺应与所设计的功率型LED相同或相似，使得待测试的功率型LED与所设计的功率型LED，除了芯片结构多了一个检测单元，以及由此而增加的引脚外，在其它方面，如封装结构、封装材料等方面尽可能相同，其目的也是为了使待测试的功率型LED能尽可能准确地模拟所设计的功率型LED的热阻特性。
c、对该待测试的功率型LED进行测量。首先给检测单元通以一个小的恒定电流，例如1mA恒定电流，测量此时的正向压降V0，然后在加热单元上通以恒定的加热电流，加热电流值与所设计的功率型LED工作电流相同，以此模拟所设计的功率型LED芯片工作时的发热状况。达到热平衡后，测量加热单元的正向压降VH和加热电流IH，并再次测量检测单元的正向压降V。由于施加在检测单元和加热单元上的电流各自独立，因此当再次测量检测单元的正向压降时，无需断开施加在加热单元上的电流，以避免热量损失，提高测量准确度。
d、根据加热前后检测单元正向压降的变化(V-V0)，结合正向压降与温度的变化关系得到检测单元PN结的温度变化值(T-T0)。此处依据的理论是在一定的温度范围内，PN结的正向压降与PN结温度近似呈线性关系，用公式表示为V＝V0+K(T-T0)式中，V是温度为T时的正向压降，V0是温度为T0时的正向压降，K是正向压降随温度的变化系数。将上一步骤测得的V、V0值代入该理论公式即可求得检测单元PN结的温度变化值(T-T0)。系数K可通过实验标定获得。由于PN结的正向压降与PN结温度之间的线性关系只在一定的温度范围内成立，因此实践测量时，环境温度最好在标定系数K的温度范围之内。为了求得更精确的温度变化值(T-T0)，还可采用更复杂的计算公式，例如增加公式的二次修正项、三次修正项或者采用其他形式的拟合公式等，这些公式都是在上述理论公式的基础上演化而成的修正公式。
求得检测单元PN结的温度变化值(T-T0)后，便可根据热阻的定义得到功率型LED的热阻。对于功率型LED，热阻的计算公式可以表示为R=T-T0VHIH(1-η)]]>式中，R为功率型LED热阻，η为功率型LED的电光转换效率，其值为输出光功率与输入电功率的比值，光功率可通过光功率计测得。将先前计算得到的(T-T0)值，以及上一步骤测得的VH、IH值代入该公式即可求得功率型LED的热阻。
本发明专用芯片的外延层和电极层结构是根据所设计的功率型LED芯片来确定的，并与所设计的功率型LED芯片一致。加热单元与检测单元的电极可以各自独立，也可以采用共阴连接或者共阳连接方式。为了使专用芯片以及用该专用芯片封装而成的待测试的功率型LED，在热阻特性方面尽可能与所设计的功率型LED一致，最好令专用芯片的总面积与所设计的功率型LED芯片的总面积相同，而且专用芯片的加热单元的电极图形与所设计的功率型LED芯片的电极图形相同，这样可更好地模拟所设计的功率型LED的温度分布特性，使测量结果更准确。
图1、3、5、7、9分别列举了专用芯片可采用的几种电极图形。
在图1中，加热单元的电极形状采用了绝缘衬底功率型LED常用的叉指状电极。编号1、2分别是加热单元的阳极和阴极，编号3、4分别是检测单元的阳极和阴极。加热单元与检测单元的电极各自独立，其电路原理如图2所示，其中5表示加热单元，6表示检测单元。
图3与图1的区别仅在于加热单元的阴极2与检测单元的阴极4连接在一起，亦即采用共阴连接方式，其电路原理如图4所示，其中5表示加热单元，6表示检测单元。
在图5中，加热单元的电极位置与图3刚好相反，编号1是加热单元的阴极，编号2是加热单元的阳极，加热单元的阳极2与检测单元的阳极4连接在一起，采用了共阳连接方式，其电路原理如图6所示，其中5表示加热单元，6表示检测单元。
在图7中，编号7是加热单元的阳极，该阳极形状采用了导电衬底功率型LED常用的“米”状电极。编号8是检测单元的阳极。由于本实施例的加热单元和检测单元的阴极连接在一起并且位于另外一层中，因此在图7所示的这一层中没有加热单元和检测单元的阴极。本实施例的电路原理如图8所示，其中5表示加热单元，6表示检测单元。
图9与图7的区别仅在于“米”状电极为加热单元的阴极9，编号10是检测单元的阴极。加热单元与检测单元的电极采用共阳连接方式，并且位于另外一层中，因此在本图所示的这一层中没有加热单元和检测单元的阳极。其电路原理如图10所示，其中5表示加热单元，6表示检测单元。
以上各实施例只是本发明专用芯片可采用的几种电极图形，除此以外当然还可以采用其它形状。总之，专用芯片的加热单元的电极图形最好与所设计的功率型LED芯片的电极图形相同，以得到最准确的测量结果。
权利要求
1.一种测试功率型LED热阻的方法，其特征是包括以下步骤a、制造专用芯片，该芯片具有以下特点芯片内集成有两个LED单元，两个单元的外延层和电极层结构相同，并且都与所设计的功率型LED外延层和电极层结构相同，其中一个单元的面积与所设计的功率型LED芯片面积接近，作为加热单元，另一单元的面积较小，作为检测单元；b、对该专用芯片进行封装，制成待测试的功率型LED，所采用的封装工艺与所设计的功率型LED相同或相似，使得待测试的功率型LED与所设计的功率型LED，除了芯片结构多了一个检测单元，以及由此而增加的引脚外，在其它方面尽可能相同；c、对该待测试的功率型LED进行测量，首先给检测单元通以一个小的恒定电流，测量此时的正向压降，然后在加热单元上通以恒定的加热电流，加热电流值与所设计的功率型LED工作电流相同，用来模拟所设计的功率型LED芯片工作时的发热状况，达到热平衡后，测量加热单元的正向压降和加热电流，并再次测量检测单元的正向压降；d、根据加热前后检测单元正向压降的变化，结合正向压降与温度的变化关系得到检测单元PN结的温度变化值，再由该温度变化值，根据热阻的定义得到功率型LED的热阻。
2.一种用于权利要求1所述测试方法的专用芯片，其特征是芯片内集成有两个LED单元，两个单元的外延层和电极层结构相同，并且都与所设计的功率型LED外延层和电极层结构相同，其中一个单元的面积与所设计的功率型LED芯片面积接近，作为加热单元，另一单元的面积较小，作为检测单元。
3.如权利要求2所述的专用芯片，其特征是专用芯片的总面积与所设计的功率型LED芯片的总面积相同，而且专用芯片的加热单元的电极图形与所设计的功率型LED芯片的电极图形相同。
全文摘要
一种测试功率型LED热阻的方法及其专用芯片，其主要特点是用专用芯片来模拟所设计的功率型LED芯片，该专用芯片与所设计的功率型LED芯片具有相同的外延层和电极层结构，在用该专用芯片制成待测试的功率型LED时，也采用与所设计的功率型LED相同或相似的封装工艺。本发明可准确模拟出所设计的功率型LED的热工特性，通过测量、计算得到所设计的功率型LED的热阻，无需采用昂贵的专用测试仪器，降低了功率型LED的研发成本。
文档编号H01L21/66GK1544954SQ200310112158
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月14日 优先权日2003年11月14日
发明者李炳乾, 布良基, 王垚浩 申请人:佛山市国星光电科技有限公司