TW201128201A - Apparatus and method for measuring diode chip - Google Patents
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Description
201128201 P51980121TW 32863twf.doc/n 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明疋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之二極 體晶片的量測裝置及量測方法。 【先前技術】 φ 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 巾田k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、低污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 付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之優勢，交流電驅動LED之出 • 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之轉換效率低之問題，目 前LED之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技術發展之主要議 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，再除以輸人功率所得 201128201 ^5iysuJ^lTW 32863twf.d〇c/n 之值。此-熱阻值^ LED封裝中，㈣散熱能力優劣之標 準，如果熱阻值越大’表示散熱能力越差，·反之，若敎阻 值越小，則散熱能力越好。&熱阻值，提供了—個判斷標 準0 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_量測，有其重要純有其代表性。在 計算熱阻財射，外界耗溫度，利賴_(Th_ couple)即可很容易量測到。對於—發熱元件，其輸入功率 也是已^，可以推算出來。但是在—完整的封裝中，就難 以直接量_晶片的接面溫度，因此—般需要以—種間接 的電性量^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鋪光學特性的影 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。 父流電驅動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 之電壓及電流非-定值，而為_正弦週期波，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I測技術之建立，將有助於提昇交流電驅動LED之封 裝散熱設計。 中華民國專利200925571揭露一種量測LED特性與晶 片溫度的襞置，其量測過程主要有兩個步驟。第一步驟是 201128201 P51980121TW 32863twf.doc/n 利用傳導形式及輸入脈衝形式之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，此一前案僅侷限於 里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露一交流電驅動 LED之接面溫度的量測方法，其量測方法是參考直流電源 之發光二極體熱阻量測方法’只是交流發光二極體是以輪 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 —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—微 小電阻，以實際地操作額定交流電壓的輸入，並利用雙頻 道之資料擷取模組同時擷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之啟動電壓及其所對 應到的電阻之電壓值，以換算成電流值。另外，再擷取其 初始電流值與達到熱平衡後的電流值之電流變化量，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^ 變化量再加上初始溫度值，即為二極體接面溫度。现·" 比較前案專利，中華民國專利2〇〇925571雖然具備快 速1測發光二極體熱阻之功能，但僅侷限於量測直流電源 發光二極體，而且並無將光、熱及電三種特性量測方法整 201128201 P51980121TW 32863twf.doc/n 合在一ί、。f國中請專利申請號USG8154G3G43量測方法 ί可又机電源發光二極體’但是量測程序複雜，需 泰兩驟’並且在進行第二步驟時需要另外串接一個 =阻H而電阻大小不同將影響量測結果，又因不易 擇何餘值之電阻，故其在制上會⑽多變數及 不便性。 【發明内容】 、、」!!=供一種二極體晶片的量測裝置及其量測方 待性 速地量測出二極體晶片在某溫度下的電 法包提二極體晶片的量測方法。上述量測方 壓傳導元件上。之後，將電 體晶片的瞬間啟動ϊ,則單元量測該二極 導元件的溫度為第―:产測元件量測該熱傳 /JEL度。在5亥電壓加加在該二極濟曰J4 :’開始藉由溫度控制模組，控制該 曰 。當控制該熱傳導元件的= 二=量測到該二極體晶片的電流等於該_ 度為第^溫度:$溫度制元件量猶熱傳料件的溫 元件本Ϊ =出:，測Ϊ置。上述量測裝置包括熱傳導 y’、 〃ILi測單元、溫度量測元件以及溫度控 201128201 P519S012\TW 32^63twid〇c/n 制模組。所述之熱傳導元件適於設置上述之二極體晶片。 所述之電壓源適於將電壓施加在上述之二極體晶片，所述 之電流量測單元適於當電壓源施加電壓在二極體晶片時， 制二極體晶片的電流。所述之溫度量測it件適於量測熱 傳導元件的溫度。所述之溫度控制模組適於控制敎傳導& 件的溫度二其=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 • 纟量測元件量測上述熱傳導元件的溫度為第-溫度。 在上述電壓施加在二極體晶片後，溫度控制模組開始將上 ，熱傳導70件的溫度㈣至第二溫度，錢上述電流量測 單70所量測到二極體晶片的電流等於上述的瞬間啟 流。上述第二溫度不等於第一溫度。 在本發明之-實施例中’上述之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-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。 在本發明之-實施例中，上述之電壓為交流電壓，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。 在本發明之—實施财，上述之電壓為直流電壓。 在本發明之-實施例中，上述之二極體晶片具有 發光二極體。 、基於上述’本發明之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之電特 201128201 P51980121TW 32863twf.doc/n 從，处1用以罝刿M父流電驅動的二極 此外，本發明使用傳導形式之、、θ S曰 電特十 且古笋鈔…| : 凰度控制即可達到相當快速 且冋精準度之控制，並且可快速量測 光、熱及電特性。 為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特 舉貫鈀例，並配合所附圖式作詳細說明如下。 【實施方式】 達LED的電特性量測與熱特性量測 、ί 的結果。此方雜了 電驅動的—極體晶>|之電雜，亦可用 動的二極體晶片之電特性。以下夹此每又桃電驅 ⑽下舉—較_來描述本發 二t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—實施例的内容。 卜圖“會示依據本發明一實施例之量測裝 置100的示思圖。參閱圖卜為了達到溫度控制，可由量 測裝置100的-溫度控制模組來控制溫度的控制。上述的 ί度=模組：以包括—溫度控制元件102，例如:加熱 =、，、、、·致冷It".等。其中熱電致冷器可將溫度降至低於 至溫’以允許量測裝置⑽在比室溫低的溫度下進行量 貝^皿度控制兀件102帶出的熱源(Iieats_e)可藉由散執 =組(ThennalMGdule)1()1來達成穩定的散熱尤其可在^ =致冷ϋ運作時帶走熱電致冷⑽熱能。又，若是採用^ 熱器增溫則不需要散熱模組1〇卜另外溫度控制模 201128201 P51980121TW 32863twf.doc/n 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11〇可以是比例 積分微分(proportional-integral-derivative，PID)控制器、停 機反應器冷卻(shutdown reactor cooling，SRC)控制界等 控制器。 ’ " 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1〇4 與溫度控制元件1〇2連接。如此熱傳導元件1〇4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1〇4例如是具有高熱傳導係數的金屬結構層、 例如銅、一月銅、銘..·等的結構層。在本發明一實施例中， :傳‘ 件」04表層鍍有一高熱傳導係數之絕緣薄膜 ’絕緣薄a 105的材質例如是氧化紹、類鑽碳
Carb〇n，DLQ薄膜··‘等。絕緣薄膜105的目 不L電絕緣的特性’使二極體晶片106在測試時 it部分從熱傳導Μ 1〇4漏失的現象而影 ^^1^。料，量概置應可包括一絕熱蓋 軌苗108制如叮爾兀件1〇5上，以構成一隖熱的空間。隔 —108例如可用—些隔鱗與電木組合而成。 -個中:要測試的二極體晶片106包含至少 然而晶片106是以交流電來驅動。 所要測试的二極體乂 在本發明—實施例中’ 雜曰曰片106不包含有發光二極體，而只具 201128201 P51980121TW 32863twf.doc/n 有般非可，光的二極體。又例如在本發明另一實施例 中’ -極體晶片106是以直流電來驅動。此外，所要測試 的二極體晶4106你J如可以藉由導熱膏被黏附到熱傳導元 件刚上’且是在隔熱蓋108内的隔熱空間内，以得較佳 定溫度°然而’值得注意的，隔熱蓋⑽對本發明而 έ並非絕對必要的元件。另外，在本發明—實施例中，量 测裝置100包括兩固定元件116，分別與二極體晶片1〇6 的兩接腳107接觸，以將二極體晶片1〇6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。 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的熱里測的結果，在本發明其他實施例中，固定元 件116可選用白色材質之材料，或在固定元件U6上鍍上 硫酸鋇。因固定元件116可提供二極體晶片1〇6之電源的 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1〇7。 上述的溫度控制模組另包括一溫度量測元件118，設 於一極體晶片106的基板和熱傳導元件1〇4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1〇4的 溫度。基本上，因熱傳導元件1〇4和絕緣薄膜1〇5具有極 面的熱傳導係數’故溫度量測元件Π8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可為熱電輕 (thermocouple)、熱敏電阻(thermistor)或電阻式溫度感測器 (Resistance Temperature Detector, RTD) 201128201 P51980121TW 32863twf.doc/n 量測裝置100還具有一電壓源112，適於將—電壓施 加在二極體晶片106。在本發明一實施例中，電壓源【I] 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之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 φ 一資料擷取卡(DAQ Cafd) ’其電性連接於電壓源1丨2和二 極體晶片106。在本發明一實施例中，資料擷取卡的電流 解析度小於0.1mA，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 度控制模組將二極體晶片1〇6的基板溫度和熱傳導元件 W4的溫度控制在某一穩定溫度，例如：25。〇。此時，電 壓源112尚未施加電壓於二極體晶片1〇6 ,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1〇6開始運作。在電 壓源112開始施加電壓至二極體晶片1〇6的初始期間，電 机里測單元114量測二極體晶片1〇6的瞬間啟動電流，而 溫度量測元件118量測熱傳導元件1〇4的溫度為一第—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！ 〇 6之電流的第一個正 201128201 F5198012]rw 32863twf.doc/n 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的接面溫度為第度時所 對應的電流值。 ' 請參考圖2和圖3,其中圖2繪示了電壓源112尚未 施加電壓至二極體晶片106時流經二極體晶片1〇6的電流 與時間的關係，而圖3繪示了電壓源112開始施加電壓至 二極體晶片106時流經二極體晶片1〇6的電流與時間的關 係。其中，如圖2所示，當電壓源112尚未施加至二極^ 晶片106時，所對應的電流值為零。另如圖三所示，當電 流罝測單元114量測二極體晶片1〇6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1〇6的電漭 值，计异出二極體晶片106的均方根電流，而所得到的均 方根電流即為二極體晶片1〇6的瞬間啟動電流。此外，在 本發明一實施中，倘若二極體晶片1〇6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所不，在此情況下，則可依據電壓源n2開始施加至二 極體晶片106後的-預設時間間隔，所量測到的二極體曰 片106的電流，來計算上述的瞬間啟動電流。其中，上 的預設時間間隔例如小於毫秒等級。 见 在電塵施加在二極體晶片1〇6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1〇6^ 溫度升高的緣故，二極體晶片1〇6的電流也會增大 測二極體晶片H)6的特性，在電壓施加在二極體晶片…里 12 201128201 P51980121TW 32863twf.doc/n 後，上述的溫度控制模組開始控制熱傳導元件的溫 度’直到電流量測單S 114所量測到的二極體晶片1〇6^ 電流等於上述的瞬間啟動電流為止。此外，當熱傳導 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萨二 度量測元件118量測此時的熱傳導元件1〇4的温 :溫度。值得注意的’倘若二極體晶片1〇 單元m所量測到的二極體晶片二 電流亦為其均方根電流。 請參考圖4，圖4繪示了當溫度控制模組 晶片106的電流與時_^ : = 單元114所量測到的二極體晶片 〇6的=啟動電流為2732mA，而因為熱效應的緣 故，一極肢晶片106的電流提升到約28mA。之 应 開始調降熱傳導元件1〇4的溫度。因著熱傳^ =刚的溫度的下降，二極體晶片⑽的接面溫度也會下 :進而使得二極體晶片1G6的電流也跟著下降。當熱 Vtg件104的溫度下降之後，倘若電流量測單元ιΐ4所量 哪到的=極體晶片廳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的m ^即為上述的第二溫度”謂4為例，在溫度控制模組^ 熱，導兀件1()4的溫度後的谓秒，二極體晶片ι〇6 瓜即等於二極體晶片1〇6的瞬間啟動電流，而此時溫 &置測兀件118所量測到的溫度即為上述的第二溫度。 13 201128201 P51980121TW 32863twf.doc/n 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Preal表示，則實功率preal可以下 述方程式表示：
Preal，J^Mdt.p； apparent
xPF
P apparent V— xl rms rms (2)
其中’V⑴為在時間點t施加於二極體晶片i〇6的電壓值； I⑴為在時間點t流經二極體晶片1〇6的電流值； T為電流電壓取樣週期’而在本發明一實施例中，倘 若二極體晶片106是由交流電壓所驅動，則τ 為該交流電壓的週期；
Papparent為二極體晶片1 06的視在功率；
Vnns為二極體晶片1〇6的均方根電壓值；
Vrms為二極體晶片1〇6的均方根電流值；
PF為二極體晶片1〇6的功率因子(p〇werFact〇r)。 之後，I測裝置100的—計算電路(未圖示）或上述^ J流量，'單元114會將上述的第—溫度減去上述的第二: ί若皿度與第二溫度之間的溫度差。舉例來說 倘右上述的第一溫度為丁田 的溫度差為ΔΤ，則： ⑽第―度為TC，而h ΔΤ=Τ^Τ
C 之後，上述的計算電 (3) 路或電流量測單元U4將溫度差 14 201128201 P51980121TW 32863twf.doc/n 熱阻值 △ τ除以實功率Preai，以求得二極體晶片i〇6的 假設二極體晶片1〇6的熱阻值等於RjC，則： Ρ (4) Ρ,
Rjc = real 立円圖依據本發明另—實施例之量測裝置的示 二:實施例的基本結構仍與圖1的結構相 ί二 可以改變為與積分球258與熱傳導元 曰片如利用“固定結構來敗二極體 ==單元，例如包含有溫度控制=件： 简速與温度控制元 102 一起度。另外熱模組101配合溫度控制元件 電流例如變化控制。另外二極體晶片的 讀出二極體的電;;Γ電錶112提供。電源電錶112同時 ⑴，讀取更準確的電壓值。了再^貝t取卡 以控制溫度控制元件102二卜：度毫110除了可 —個溫度控制元件遍Γ皿度卜也可以同時控制另 焊接提供電源，無須 控制熱傳導元件操作可加熱的球體，即可達到 特性與環境溫度(==^龍境溫度，料得到光學 積分球的作用：::兀:操作溫度)的關係。 光’並積分加總起來得心發t二=體晶片發出的 一无千特性，如此允許本發明也可 201128201 ^siysui/ix'W 32863twf.doc/n 以二^、學特性與熱特性的功能。例如、當輸入為實 際雨時’做光學特性量測；當輸入微小電流時，做 曰曰片二度與熱阻里測。積分球’可以設計為有,⑥溫器特性 的功月b ’使此裝置能做環境溫度的控制，以觀測發光二極 體的光學特性與環境溫度之關係。 雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離 本發明之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，故本
發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖1繪示依據本發明一實施例之量測裝置的示意圖。 圖2繪示圖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3緣示了圖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4繪示了當圖1中的溫度控制模組控制熱傳導元件 的溫度時，二極體晶片的電流與時間的關係。 圖5繪示依據本發明另一實施例之量測裝置的示意 圖。 【主要元件符號說明】 100、 500 :量測裝置 101、 264 :散熱模組 16 201128201 P51980121TW 32863twf.doc/n 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 :資料讀取卡 116 :固定元件 118 :溫度量測元件 258 :積分球
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Claims (1)
- 201128201 七、申請專利範園： 1. 一種二極體晶片的量測方法，包括： 將該一極體晶片設置在一熱傳導元件上. s將一電壓施加在該二極體晶片，且藉由一電流量測單 兀罝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，組’控繼熱傳導元件的溫度，直到該電流量測單元 所置測龍二極體晶#的電流等於_間啟動電流； 以及 由該溫度量測元件量賴熱料元件的溫度為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·動電流，則藉 歷马父流電Μ，而所量測到的該二 間啟動電流為均方根電流。 4.如申請專利範圍第丨 3.如申請專利範圍第1 壓為交流電壓，而所晉、:目,丨5，丨 項所述之量測方法，其中該電 々该二極體晶片的電流及該瞬 項所述之量測方法，其中該電 18 201128201 P51980121TW 32863twf.doc/n 壓為直流電壓。 利範S1項所述之量測方法，其中該二 極體日日片具有至少一發光二極體。 6.—種二極體晶片的量測裝置，包括： 一熱傳導元件，適於設置該二極體晶片； 一電壓源，適於將一電壓施加在該二極體晶片； ㈣γΓϊ量測單元’適於當該電壓源施加該電壓在該二 φ極體曰曰片盼，量測該二極體晶片的電流； 一溫度量測元件’適於量測該熱傳導树的溫度；以 及 :溫度控制模組，適於控制該熱傳導元件的溫度； '、Γ田，電壓源開始施力σ該電壓在該二極體晶片時，該電 測單元1測戎二極體晶片的一瞬間啟動電流，且該溫 度置測7L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ς f «熱傳導元件的溫度控制至-第二溫度，以使該電= •、里測早，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’如申請專利範圍第6項所述之量測裝置，其中該量 測裝置。十异該一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-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。 λ 8.如申請專利範圍第6項所述之量測方法，其中該電 19 201128201 rDiyouiziTW 32863twf.doc/n 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. 如申請專利範圍第6項所述之量測方法，其中該電 壓為直流電壓。 10. 如申請專利範圍第6項所述之量測方法，其中該 二極體晶片具有至少一發光二極體。20
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