专利名称：发光器件的操作系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种发光器件的操作系统，且尤其涉及一种用于评估发光器件热特性以操作发光器件的操作系统，以及其操作方法。
背景技术：
发光二极管(LED)是一种将电流转化成光的半导体发光器件。使用GaAsP化合物半导体的红光LED首先在1962年制造，且红光LED和GaPN基绿光LED用作光源，用于包括信息和电信装置的电子设备的显示器。
从LED发出的光的波长取决于用于制造LED的半导体材料。这是由于发光的波长取决于半导体材料的带隙，其表示价带电子和导带电子之间的能量差。
由于高热稳定性和宽带隙(0.8eV至6.2eV)，氮化镓(GaN)化合物半导体在研究高输出电子器件的领域中很突出。GaN化合物半导体突出的一个原因在于GaN与其它元素如铟(In)、铝(Al)等组合以形成半导体层，从而发出绿光、蓝光和白光。
如上所述，由于调整了发光波长，因此材料特性能根据具体器件特性来调整。例如，GaN用于制造能够代替蓝光LED和可用在光记录中的白炽灯的白光LED。
而且，常规绿光LED在早期阶段通过GaP来实现。由于GaP作为间接跃迁材料具有低效率，因此其不可能发出纯的绿光。随着InGaN薄膜生长的成功，可以实现高亮度绿光LED。
由于上述优点和其它优点，GaN基LED的市场快速发展。由此，自从1994年在市场上引入GaN基LED开始，与光电器件相关的技术也快速发展。
由于GaN发光二极管的效率优于白炽灯的，且现在其基本上等于荧光灯的，因此期待GaN基LED的市场持续快速发展。
这样，LED用在各种领域中，如交通信号灯、车辆、显示器等，亮度明显增强至60lm/W。
而且，根据LED的另一优点，能实现各种颜色，可即时驱动，使用寿命是10万小时，且不存在爆炸的危险。
由于上述优点，预期在未来10年内用LED代替主要的照明器件。
尤其，与其它照明设备相比，颜色几乎都能使用光的三基色来表示。而且，在红光R、绿光G和蓝光B中，如图1中所示，与图2的波长相比，LED的频率和波长被明显划分。
换句话说，灯含有波谱，如紫外线UV或者红外线IR，但是LED光源具有纯的波长。
随着LED亮度显著增强，期望光效率明显增加。
然而，当前，与荧光灯或者具有效率为30lm/W至100lm/W的灯相比，红LED具有约40lm/W，绿LED具有约20m/W，和蓝LED具有约8lm/W。
为了将LED的光学效率增加至其它灯的效率，需要高效率和高的驱动电流。然而，高驱动电流会导致更多的功耗。由此，当驱动高亮度LED时，LED芯片的温度非常高。
这样，对于实现图像，其应用范围在当今的显示领域中大大增加的LED重复地开启和关闭达每秒几十次到几百次。
由此，当设计与LED温度相关的驱动设计时，必须考虑到该占空操作(duty operation)。
LED是将电能转化为光能的半导体器件。由此，LED具有半导体本身的特性，且结果，LED的首要特性如亮度、寿命、电压等根据温度而显著变化。
因此，在设计产品和应用LED之前，需要一种精确评估芯片温度的方法，以作为LED核心部分发光。
发明内容
因此，本发明涉及一种发光器件的操作系统和方法，其基本上消除了由于现有技术的限制和缺点导致的一个或多个问题。
本发明的目的在于提供一种操作系统，用于驱动发光器件，以使得评估发光器件封装的结温度在小的误差范围内，而不必通过分析发光器件封装的热特性来直接测量，并提供其驱动方法。
在下面的描述中将部分地列出本发明的其它优点、目的和特征，且其对于具有本领域普通常识的人们来讲在查看以下内容之后部分显而易见，并且可以从本发明的实施中加以学习。本发明的目的和其它优点能通过在文本描述和其权利要求以及所附的图中特别指出的结构实现并获得。
为实现这些目标和其它优点且根据本发明的目的，如在此所体现并广泛描述的，发光器件的操作系统包括发光器件封装；和以等于或高于100Hz的频率驱动发光器件封装的驱动单元。
为实现这些目标和其它优点并根据本发明的目的，如在此所体现并广泛描述的，发光器件的操作系统包括多个发光器件；和以等于或高于100Hz的频率驱动发光器件的驱动单元。
为实现这些目标和其它优点并根据本发明的目的，如在此所体现并广泛描述的，驱动包括至少一个发光器件封装的发光器件的方法包括以等于或高于100Hz的频率驱动发光器件封装。
将理解，本发明的前述一般描述和以下的详细描述都是示范性和说明性的，且都意预提供所要求本发明的进一步说明。
包括以用于提供本发明进一步理解并结合到该申请中并构成该申请一部分的附图示出了本发明的实施例，并与该描述一起用于说明本发明的原理。图中 图1是示出常规发光器件的发光特性的图； 图2是示出常规灯的发光特性的图； 图3是示出根据本发明实施例的发光器件的操作系统的示意图； 图4是根据本发明实施例的发光器件封装实例的局部截面透视图； 图5是示出根据本发明另一实施例的发光器件的操作系统的透视图； 图6是示出根据本发明实施例的热流分析的图示的透视图； 图7是示出根据本发明实施例的发光器件的操作系统中占空操作的图； 图8是示出操作根据本发明实施例的发光器件封装时，发光器件封装的临时温度分布的图； 图9是示出根据本发明实施例的热流分析另一图示的透视图； 图10是示出所测温度相对于驱动频率的变化的图；和 图11至13是示出相对于各自驱动频率的所测温度的图。
具体实施例方式 现在将详细参考本发明的优选实施例，其实例于附图中示出。任何情况下，贯穿附图使用相同的参考数字表示相同或相似的部分。
以下，将参考附图详细描述根据本发明优选实施例的发光器件的操作系统及其驱动方法。
如图3中所示，发光器件的操作系统包括发光器件封装100和驱动该发光器件封装100的驱动单元200。
驱动单元200能以100Hz和更高的频率驱动发光器件封装100。
如图4中所示的发光器件封装100可包括发光器件芯片20和接触该发光器件芯片20的散热片(heat sink)60。
这种情况下，焊料球和环氧树脂(未示出)可设置于发光器件芯片20和散热器60之间，且密封剂40和透镜50设置在发光器件芯片20之上。
发光器件芯片20可采用GaAs、InP、InGaP、和GaN基发光器件中的任意一种或多种。
驱动单元200可进行占空操作，且可在2 kHz以下的频率下驱动发光器件封装100。
当在上述频率下驱动发光器件封装100时，可以减少发光器件封装100的结温度的误差。
而且，如图5中示出的多个发光器件封装100可设置在具有预定区域的面板300上。
这样，多个发光器件封装100可以是全彩色显示器，且可以是背光单元以根据环境发出特定色彩的光。尤其，发光器件封装100可用作液晶显示器的背光单元。
发光器件封装100从发光芯片20发出光以及相当多的热量。
在发光器件芯片20中产生的热量沿着发光器件封装100中的热路径流动，且发光器件封装100根据热路径的设计特性分组为低功率发光器件封装和高功率发光器件封装。
该特性通过热阻(thermal resistance)实现。由于热阻对确定发光器件的特性是非常重要的值，因此热阻的值被写到各自发光器件封装上。
为了知道发光器件的精确结温度，将温度测量探针安装到结上以测量其温度。由于发光器件是用于发光的器件，因此测量误差非常大，尤其在高功率发光器件中是这样。
由此，当除了发光器件结之外的其它部分的温度通过简单的测量装置如热电偶测量时，相反，该发光器件的结温度能通过发光器件封装100的热阻R来评估。
然而，在重复开启/截止的占空操作期间，评估的误差非常大。
以下，将详细描述结温度和发光器件驱动频率之间的发光器件的关系。
到目前为止，大部分发光器件用作指示灯或指示器。然而，目前随着革新的散热结构的发展，发光器件的亮度提高为高于60lm/W。由此，该发光器件能应用于简单的指示灯以及照明和显示，且因此，为此需要高光通量。
如上所述，提高发光器件的亮度能通过大的驱动电流或功率来实现。
通常，发光器件芯片的尺寸非常小。由此，在单位面积内产生的热量容易超出1MW/m2。有效的热散出结构在发光器件封装中是非常重要的元件。
因此，有效的发光器件热散出结构在发光器件的质量、能量效率、稳定性和寿命方面起到非常重要的作用。
在这些高功率发光器件当中，可在其中电流超出约1400mA的条件下驱动如图4中所示的具有该结构的发光器件封装100。
如上所述，发光器件封装100由通过焊料键合到封装体10并连接到引线30的发光器件芯片20构成。
而且，密封剂40如环氧树脂填充到发光器件芯片20的上表面中，且将透镜50设置在密封剂40上。
同时，键合到发光器件芯片20的封装体10包括散热器60，以有效地散热。
发光器件封装100的该结构维持这种高功率的原因在于通过热散出结构散出了相当多的热量，且由此热阻能显著降低。
发光器件封装100的热散出路径主要由发光器件芯片20、键合到发光器件芯片20的焊料球(未示出)、密封剂40和散热器60构成。
如图3中示出的发光器件封装100可通过分离的驱动单元200构成。
如上所述，在图4中示出的发光器件封装100中，从发光器件芯片200发出的光通过密封剂40和透镜50散出，且在发光器件芯片20中产生的主要热量通过散热器60被散出或传导。
由具有高导热性(约200W/Mk)的铝制造散热器60。由此，在驱动发光器件封装100期间产生的热量经由热接触材料(TIM)和外部散热器60被传送到外部。
在这种情况下，热接触材料(未示出)用于降低在发光器件封装100的散热器60和外部之间的热接触阻抗。
热接触材料和散热器60的建模可用热阻抗RTIM+heatsink代替。当考虑到通常热接触材料(0.01℃/W至0.2℃/W)和散热器(高于0.3℃/W)的热阻时，选择RTIM+heatsink为1.0℃/W。
而且，在发光器件芯片20和散热器60之间有焊料球和电和热导体，即导电环氧树脂。由于焊料球和环氧树脂导致的热阻抗可通过Repoxy+solderballs＝10.42℃/W来简单选择。
具有图4中所示结构的发光器件封装100的热阻抗为13℃/W。理论上，不仅扩展电阻，而且散热器60的热阻抗可由已知的结构和材料获得。由这些增加的值约为2.58℃/W。
事实上，尽管焊料球和环氧树脂与发光器件芯片20占据相同的面积且非常薄，其热阻也约为1W/mK。由此，焊料球和环氧树脂在热路径方面起到热电阻的重要作用。
由于焊料球和环氧树脂的影响必须考虑，因此发光器件芯片20、焊料球、环氧树脂、热接触材料和发光器件封装100的散热器60在热分析中都必须考虑。
如图6中所示，发光器件封装100的发光器件芯片20和散热器60能被分成多个多面体。在图6的情况下，可使用约8300个网格。
当通过采用散热器60底部温度和环境温度Ta之间关系来考虑热接触材料和散热器60时，能获得以下公式。
[公式1] TLED heat sink at bottom＝Ta+RTIM+heat sink×P 其中，P表示发光器件芯片20的功率或散热，且由以下公式2表示。
[公式2] 为了分析各种发光器件封装100关于驱动频率和占空比(dutycycle)的结温度，可使用三维传导等式，如下。
[公式3] 其中ρ和Cp分别表示密度ρLEDchip或者ρheatsink，和热容量Cp，LEDchip或Cp，heat sink。
具有图4中结构的发光器件芯片20的尺寸由1mm2的面积和0.1mm的厚度构成。除了从发光器件芯片20的发光区域发出的光能量之外的能量仅借助于热导被吸收到圆柱形散热器60中。
与发光器件芯片20接触的散热器60的面积是发光器件芯片20面积的7.07倍。理论上，发光器件芯片20和散热器60之间由于热扩散导致的热阻是1.2℃/W。
在发光器件封装100中，热通过圆形断面传送，且之后通过平面型散热器60扩散。
为了进行该分析，采用以下假设。
首先，环氧树脂、焊料球、热接触材料和散热器60能通过热阻、Repoxy+solder ball和RTIM+heatsink模型化。
其次，发光器件封装100的热传输模式仅为热传导。
物理区域对于在分析中清楚地解决过于复杂。由此，图3中描述的该区域必须被分成受限区域。而且，将发光器件封装100分成单个块也并不容易。
因此，将整个区域分成19个子区域(见图9)，且关于各自子区域通过多块的方法评估公式3。
除了各自块的界面之外的所有项都通过中心差分方法来分割。
公式3的左侧表示临时温度变化。由此，左侧需要关于从t到t+At的时间被积分。在本发明中，Runge-Kutta第四级方法用作时间积分。
晶格产生方法通常被分类到三个种类，如结构化晶格、多块晶格和非结构化晶格中的一种。
这些种类由物理单元和给定晶格中的布局之间的相邻关系表达。
结构化晶格通过固相结构来构成，而非结构化晶格不具有基本结构，且多块晶格通常通过构造块的非结构集合来构造。
如图6中所示出的多块晶格是构造晶格的集合，以填充上述区域。
多块晶格使用结构化晶格评估的大部分效率，但是不容易考虑各个块之间的关系。
由于几何元件几乎是独立控制的，因此被制作到晶格中的复杂几何结构比结构化晶格更容易。
然而，为了填充复杂的几何交叉点并形成适当地共用界面的块，需要很多专家的帮助，且部分地去掉多块方法的优点。
由正函数表示的、非线性的、由第二指令等级(order level)限制的具有高精确度的时间积分的方法是Runge-Kutta方法。
Runge-Kutta方法的基本内容是评估微分方程右侧相对于在间隔nΔt和(n+1)Δt处的几个Q值，并组合所评估的值以获得接近值Qn+1的高位。
K-阶Runge-Kutta方法的通用形式由公式4表示。
[公式4] Q(1)＝Qn， Q(2)＝Qn+Δtα2S(1)， Q(3)＝Qn+Δtα 3S(2)， Q(K)＝Qn+ΔtαKS(K-1)， 其中，为了一致，表达式S(K)意味着S(K)＝S(Q(K))，且S与时间无关。
最常使用的Runge-Kutta第四级方法由以下系数限定。
换句话说，α2＝1/2，α3＝1/2，α4＝1，β1＝1/6，β2＝β3＝1/3，和β4＝1/6，且Rung-Kutta第三级方法中，α2＝1/3，α3＝2/3，β1＝1/4，β2＝0，和β3＝3/4。
当分析发光器件封装100中的暂时热力学现象时，考虑到数值精度和汇聚度，一个最重要的因素是初始条件和边界条件。
在初期阶段，热接触材料和散热器60在发光器件封装100中处于热平衡。这种情况下，整个系统的温度是等于环境温度Ta的25摄氏度。
在除了发光器件芯片20的上表面和发光器件封装100的散热器60的底部之外的物理区域的外部边界处，使用以下的隔热条件。
[公式5] 在发光器件芯片20的上表面上，产生3.9W的热量，且q在表1中示出的条件下散开。假设均匀散开。该边界条件能由以下的公式6表示。
图7示出了发光器件封装100在周期1/f下的驱动条件。当发光器件封装100在360Hz和占空比下驱动时，周期是1/360秒，发光器件封装100开启1/1440秒，在一个周期期间为1/f的25％。
表1 发光器件封装100的散热器60的下表面温度能通过公式1来评估。在此，该表面和外围的热阻是常数，且该值假设为1.0℃/W，如表1中所示。
而且，由于几乎忽略了流出的流量，因此功率P具有近似等于公式1中q的值。
当采用多块方法时，需要在子区域之间的连接条件。该条件可用于两种不同材料相互接触的界面。
这基于当不存在热源时，界面处热流通量不增加也不降低的事实。由此，该关系能表达为以下公式7。
[公式7] 使用数值分析和如上所述的初始条件和边界条件，可评估在占空操作下发光器件封装100的可靠性。
直到现在，发光器件封装100的大部分研究都集中在其性能和功能上。然而，对于发光器件封装100的占空操作条件没有任何研究。
在本发明中，相对于占空操作期间发光器件封装100的可靠性进行占空比和驱动频率的数值分析。
本发明中，使用具有图4中所示的结构的发绿光器件，且发光器件材料是InGaP。而且，发光器件封装100的散热器60是铝。
在本发明的分析中采用的发光器件封装100的热特性于表2中列出。
表2 当发光器件封装100在50％占空操作下以360Hz被驱动时，发光器件封装100中的临时温度分布于图8中示出。
在发光器件芯片20和上部散热器60之间的温度差ΔT非常大，接近23摄氏度，这是由于存在热绝缘层如环氧树脂和焊料球。
而且，在发光器件封装100的上侧和下部散热器60之间的小间隔涉及到散热阻抗。
图8示出了0.2秒、0.4秒、0.6秒、0.8秒和1.0秒下的热分布，且这些热分布表示发光器件封装100在360Hz和50％占空操作下，在0.5秒内达到了热平衡。
因此，能断定，由于热容量ρCPV小，因此发光器件封装100对于热量分散非常敏感。
图9示出了在t＝0.5秒、f＝360Hz和50％占空操作下，发光器件封装100的温度分布。
在发光器件芯片20的上表面和下表面之间的温度差由于0.1mm的厚度而非常小。
而且，在散热器60中没有明显的温度变化。然而，发光器件芯片20的温度与散热器60很不同。
原因在于，环氧树脂和焊料球设置于发光器件芯片20和散热器60之间，以及在发光器件芯片20和散热器60之间的散热阻抗近似等于或小于1.2℃/W。
测量发光器件芯片20上部表面处的最高温度。在最高温度下的驱动频率和占空比对发光器件芯片20的影响于图10中示出。
当忽略占空比时，发光器件芯片20的最高温度随着驱动频率f的增加急剧降低。因此，如下表示热绝缘线。
[公式8] Tmax＝Ta+(RLED package+Rexternal heat sink)×W×duty 换句话说，由于驱动频率高，因此发光器件封装100更容易达到热平衡。当跟随温度的渐进曲线时，相应的驱动条件与表3中列出的相似。
表3 简单而言，发光器件芯片20的温度为最大值的时刻能通过周期由占空来评估。
这与图11至13中示出的那些相同，并清楚地表示发光器件芯片20的最高温度的变化。
随着驱动频率增加，最高温度急剧降低且，其增量比率T/t明显降低。这是由于发光器件芯片20的热平衡时间非常短，且发光器件芯片20由于在高驱动频率下非常快地开启/截止开关而非常快就达到热平衡。
尤其，当发光器件封装100在约1Hz的低频下驱动时，最高温度几乎是相同的，而与占空比无关。换句话说，在高频下测量的驱动温度低，且达到(RLED package+Rexternal heatsink)×W×duty。
因此，发光器件芯片20的热应力随着驱动频率的增加而降低。换句话说，在高频下驱动的发光器件封装100具有高于低频下驱动情况下的可靠性。
由此，根据本发明，由于使能驱动，以在小误差范围内评估发光器件的结温度而不需间接测量，且能评估发光器件的结温度，因此可以设计成最小化发光器件封装以及包括发光器件封装的显示器和背光单元中的热应力。
本领域技术人员将明白，在本发明中可做出各种改进和变形而不脱离本发明的精神和范围。由此，意指本发明覆盖所提供的本发明的修改和变形，其落入到附属的权利要求和其等价的范围内。
权利要求
1.一种发光器件的操作系统，包括
发光器件封装；和
驱动单元，其在等于或高于100Hz的频率下驱动该发光器件封装。
2.如权利要求1的发光器件的操作系统，其中该发光器件封装包括
发光器件芯片；和
散热器，其接触该发光器件芯片。
3.如权利要求2的发光器件的操作系统，还包括焊料球和位于发光器件芯片和散热器之间的环氧树脂。
4.如权利要求2的发光器件的操作系统，还包括密封剂和设置在发光器件芯片上侧的透镜。
5.如权利要求2的发光器件的操作系统，其中该发光器件芯片包括基于GaAs、InP、InGaP和GaN的发光器件中的一个。
6.如权利要求1的发光器件的操作系统，其中该驱动单元进行占空操作。
7.如权利要求1的发光器件的操作系统，其中该驱动单元在等于或低于2KHz的频率下驱动该发光器件封装。
8.如权利要求1的发光器件的操作系统，其中发光器件的结温度误差在10％之内。
9.如权利要求1的发光器件的操作系统，其中发光器件封装的个数是多个。
10.如权利要求9的发光器件的操作系统，其中发光器件封装被设置在具有预定区域的面板中。
11.一种发光器件的操作系统，包括
多个发光器件；和
驱动单元，其在等于或高于100Hz的频率下驱动该发光器件。
12.如权利要求11的发光器件的操作系统，其中该多个发光器件发出全彩色光。
13.如权利要求11的发光器件的操作系统，其中该驱动单元进行占空操作。
14.如权利要求11的发光器件的操作系统，其中该驱动单元在等于或低于2KHz的频率下驱动该发光器件。
15.如权利要求11的发光器件的操作系统，其中每一个发光器件都包括基于GaAs、InP、InGaP和GaN的发光器件中的一个。
16.一种发光器件的驱动方法，该发光器件包括至少一个发光器件封装，包括在等于或高于100Hz的频率下驱动发光器件封装。
17.如权利要求16的发光器件的驱动方法，其中该频率等于或低于2KHz。
18.如权利要求16的发光器件的驱动方法，其中该发光器件封装在占空操作下被驱动。
全文摘要
公开了一种操作系统及其操作方法，该操作系统用于评估发光器件的热特性以操作发光器件。发光器件的操作系统包括发光器件封装和在等于或高于100Hz的频率下驱动该发光器件封装的驱动单元。
文档编号H01L23/34GK101232757SQ20071014946
公开日2008年7月30日 申请日期2007年8月10日 优先权日2006年8月10日
发明者朴焌成 申请人:Lg电子株式会社