Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус светодиода
METHOD FOR MEASURING THE THERMAL RESISTANCE OF THE JUNCTION-TO-BODY LED

Изобретение относится к технике контроля тепловых характеристик светодиодов и может быть использовано для контроля качества монтажа кристаллов светодиодов на монтажную пластину, в том числе светодиодов в составе светодиодных матриц и модулей.
n
Известен способ измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов (см. ОСТ 11 0944-96. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления. - М.: ГУП НПП Пульсар, 1997. - 110 с.), заключающийся в подаче на контролируемый диод импульса греющей мощности Р заданной длительности, в измерении приращения температуры перехода ΔT, по изменение температурочувствительного параметра (ТЧП), например, прямого напряжения диода при пропускании через него малого измерительного тока и расчете тепловое сопротивления по формуле
ТЧП
Недостатком способа является большая относительная погрешность (до 25%) измерения, обусловленная большой неопределенностью задания длительности импульсов греющей мощности (от 3 до 5 тепловых постоянных времени «переход-корпус») и влиянием на результат измерения напряжения U(t) после окончания импульса греющей мощности переходных тепловых и электрических процессов, обусловленных рассасыванием неосновных носителей заряда после переключения диода из режима нагрева в режим измерения ТЧП (Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов - М: Сов. радио, 1980. С. 51). Известный способ не позволяет измерять тепловые сопротивления полупроводниковых диодов в составе диодных матриц и модулей.
Из существующего уровня техники известны дистанционные способы измерения переходной тепловой характеристики и определения тепловых параметров светодиода по сдвигу спектра излучения, регистрируемого многоэлементными фотоприемниками (ФП): фотоприемной КМОП-линейкой (по патенту РФ на изобретение №2523731) или фотоприемной КМОП-матрицей (по патенту РФ на изобретение №2608115). Недостатками указанных способов является необходимость спектрального разложения излучения светодиода с помощью диспергирующего устройства, регистрации сдвига спектра на нескольких длинах волн излучения и, как следствие, большая трудоемкость настройки и калибровки аппаратуры и сложная обработка измерительной информации. Кроме того, поскольку интенсивность излучения светодиода сильно зависит от температуры, для измерения сдвига спектра необходимо нормировать спектр, то есть делить все значения на максимальное значение. В результате, указанными известными способами практически невозможно измерить ПТХ светодиода в полевых условиях и в условиях массового контроля, в том числе в составе светодиодной матрицы или модуля.
max
n
Известен способ (см. патент РФ на изобретение №2390738) измерения средней длины волны узкополосного излучения (по изменению которой, применительно к излучению светодиода, можно определить изменение температуры его активной области и рассчитать его тепловое сопротивление) без использования диспергирующего устройства с помощью двух ФП с различающимися функциями спектральной чувствительности. Способ основан на использовании линейной зависимости длины волны λ в максимуме спектра излучения светодиодов от температуры T активной области (р-n-перехода):
λ
0
где K - температурный коэффициент длины волны в максимуме спектра излучения светодиода, T - температура перехода до саморазогрева.
Указанным способом легко реализуется дистанционное измерение тепловых параметров светодиода (см., например, Ульянов А.В. Повышение точности двухканальных фотоэлектрических преобразователей для измерения параметров спектра оптических сигналов / А.В. Ульянов. - дисс. … канд. техн. наук. - Ульяновск: УлГТУ, 2016) путем измерения длины волны в максимуме спектра излучения светодиода в процессе его саморазогрева греющим током известного значения в заданные моменты времени.
Недостатками этого способа, является необходимость точного деления светового потока светодиода между ФП в процессе измерения, что достаточно сложно реализовать на практике, а также довольно сложные многоэтапные преобразования полезных сигналов ФП, что также приводит к большим аппаратным затратам и увеличению погрешности измерения.
х
Известен способ, принятый за прототип, дистанционного измерения температуры среды или объекта по патенту №2589525 РФ по изменению яркости полупроводникового лазерного диода, который является датчиком температуры. Способ состоит в измерении калибровочной зависимости яркости Е(Т) лазерного диода от температуры при фиксированном токе с помощью люксметра, приемное устройство которого установлено на фиксированном расстоянии  от диода, в размещении лазерного диода в контролируемой среде или на контролируемом объекте, в пропускании через лазерный диод фиксированного прямого тока, регистрации яркости излучения лазерного диода Е(Т) с помощью люксметра, приемное устройство которого установлено на том же фиксированном расстоянии  от лазерного диода и определении искомой температуру среды или объекта Т по калибровочной зависимости. По существу данным способом измеряется температура активной области лазерного диода.
Недостатком способа является сложность юстировки приемного устройства люксметра при калибровке и измерении, поскольку показания люксметра зависят не только от расстояния от фотоприемника до светодиода но и от угла между плоскостью фотоприемника и направлением светового потока, что затрудняет применение способа для измерения тепловых параметров светодиодов в составе светодиодных матриц и модулей.
Техническая задача состоит в снижении аппаратных затрат и упрощении процесса дистанционного измерения тепловых параметров светодиода.
Техническая задача решается заявленным способом измерения.
m
и
тп-к
0
и
m
1
и
2
Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус светодиода, состоящий в пропускании через светодиод импульса греющего тока заданной силы I и длительности t, примерно равной тепловой постоянной времени τ переход- корпус светодиода и в измерении яркости излучения светодиода люксметром, отличающийся тем, что сразу после включения импульса тока измеряют значение яркости Е излучения светодиода, через время t/2 после включения импульса тока измеряют прямое напряжение U на диоде и значение яркости Е излучения, а через время t после включения импульса тока - значение яркости Е излучения светодиода, и тепловое сопротивление переход-корпус светодиода определяют по формуле
1
1
0
2
2
0
где  - греющая мощность рассеиваемая светодиодом,  ξ - среднее значение квантовой эффективности и средний коэффициент температурного спада интенсивности излучения данного типа светодиодов при заданном токе, соответственно, b=ln(E/E); b=ln(E/E).
n
Суть изобретения состоит в том, что мощность излучения светодиода зависит от тока и температуры. При заданном токе и небольшом (ΔT<60 K) нагреве активной области светодиода температурный спад интенсивности излучения можно описать приближенной формулой (см. например Сергеев В.А. Анализ тепловых режимов мощных светодиодов в составе светодиодных излучателей // Известия вузов. Электроника. - 2013. - №1. - С. 85-87):
n
0
0
0
где ΔT - приращение температуры активной области светодиода при разогреве по отношению к начальной температуре окружающей среды, ξ - температурный коэффициент яркости, E(I,T) - яркость излучения при заданном токе и температуре окружающей среды Т.
ni
Яркость излучения светодиода при его разогреве импульсом прямого тока в заданные моменты времени будет определяться силой тока и температурой активной области светодиода. В приближении двухзвенной тепловой эквивалентной схемы светодиода изменение температуры ΔT(t) активной области (перехода) светодиода после подачи в момент времени t=0 импульса прямого тока будет описываться (см., например, Сергеев В.А., Ходаков A.M. Нелинейные тепловые модели полупроводниковых приборов. - Ульяновск: УлГТУ, 2012. - 156 с.) следующим выражением:
гр
где Р - греющая мощность рассеиваемая светодиодом
тп-к
и
тк-с
и
и
При выполнении условия τ~t<<τ за время действия импульса тока изменением температуры корпуса можно пренебречь, и изменение температуры перехода светодиода в заданные моменты времени: t=0; t/2 и t будут определяться выражениями
где введено обозначение
Соответственно для яркости излучения светодиода в заданные моменты времени можно записать
Разделив (7б) и (7в) на (7а), получим два соотношения:
из которых легко выражается величина а:
Подставляя (7) в (6а) получим искомое выражение для теплового сопротивления переход-корпус
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит контролируемый светодиод 1, источник постоянного тока 2, устройство управления 3, цифровой вольтметр (или АЦП) 4, быстродействующий люксметр (или фотоприемную камеру) 5, вычислитель 6 и индикатор 7.
m
0
и
1
m
и
2
Устройство работает следующим образом. В момент времени t=0 по команде «Пуск» устройство управления 3 включает источник тока 2 и через светодиод 1 начинает протекать импульс тока заданной силы I. В этот же момент времени включается люксметр 5, который регистрирует значение Е до разогрева светодиода и передает это значение в вычислитель 6. В процессе саморазогрева протекающим током температура активной области светодиода будет возрастать, а яркость излучения соответственно спадать. В момент времени t/2 по команде устройства управления люксметр 5 измеряет значение яркости Е, а вольтметр 4 - значение напряжения U на светодиоде 1, которые также пересылаются в вычислитель 6, а в момент времени t люксметр 5 регистрирует и передает в вычислитель 6 значение яркости Е. После передачи этого показания люксметра в вычислитель источник тока 2 выключается, вычислитель 6 вычисляет значение теплового сопротивления по формуле (3) и отображает результат на индикаторе 7.
Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе измерение производится в едином измерительном цикле, кроме устройств, задающих режим работы светодиода, для реализации способа используется одно регистрирующее устройство - люксметр; регистрация яркости излучения светодиода производится дистанционно, при этом не требуется установка приемного устройства люксметра на фиксированном расстоянии от светодиода, что позволяет применять способ для измерения тепловых параметров светодиодов в составе светодиодных матриц и модулей, в том числе в полевых условиях.
тп-к
и
и
тп-к
Заметим также, что при реализации данного способа не требуется выполнения точного равенства τ=t, достаточно лишь приближенного соотношения t~τ. Примерное значение тепловой постоянно времени переход-корпус светодиода можно взять из справочных данных, можно оценить аналитически при известных размерах и материалах элементов конструкции светодиода либо определить экспериментально по характеру изменения температуры на небольшой выборки светодиодов данного типа.
Для конкретного типа светодиодов квантовая эффективность и температурный коэффициент яркости излучения, как правило, известны и имеют незначительный разброс от образца к образцу и в условиях массового контроля можно использовать их среднее значение.