功率型LED热学特性测量温控平台

摘要

功率型LED热学特性测量温控平台，涉及功率型LED热学特性的检测。设有LED夹持装置、导热热沉、温度传感器、上下热电制冷器、隔热胶层、散热热沉、电气接口、基座和风扇；导热热沉表面设有凹台，凹台正中间设有盲孔，盲孔内设有弹簧，温度传感器放在盲孔内并位于弹簧顶部，温度传感器与电气接口连接；LED夹持装置设有左右棒，左右棒内端设有左右半凸轮，外端设有左右手动转轮；下半导体制冷器的底面与散热热沉相连，散热热沉底部与风扇相连，散热热沉和风扇固定在塑料基座上，塑料基座上安装有电气接口，电气接口设有与LED相连的电路接口、驱动上下半导体制冷器制冷或加热的驱动电流接口、温度采集接口、驱动风扇转动的电源接口。

说明书

技术领域

本发明涉及功率型LED热学特性的检测，尤其是涉及一种功率型LED热学特性测量温控平 台。

背景技术

作为照明光源，LED半导体照明产业链中的各个环节的技术水平共同决定了产品的最终性 能和应用。如高效能发光材料的研制、芯片的制造工艺、器件的封装技术、生产过程中的测 试技术等都构成了至关重要的影响。其中的测试技术更是直接影响了研发、设计和生产的各 个过程。测试技术和测试设备的先进程度影响并间接决定了发光二极管生产的能力和水平， 关系到LED照明技术的推广和发展。

当前，大功率LED作为半导体照明产品的主力军已被全面应用于生产与生活的各个方面。 但受当前的材料、封装和工艺等技术水平所限，大功率LED器件输入电功率中只有大约 15％～30％的能量转化为发光功率，很大部分的能量都转化为热能，因此功率型LED的散热问题 非常突出，发热严重影响其整体的性能和效率，导致半导体PN结的发光特性和电学特性发生 显著变化，这也是目前其在通用照明领域存在的最大技术难题。因此功率型LED的热特性参 数检测异常重要。

在LED热特性检测中，如何对温度、电流、电压进行精确测量和控制，以此推算结温和 热阻等热学参数并进行合理的散热设计是提高LED整体性能的关键因素，也是LED器件封装 工艺和应用设计须首要解决的核心问题。

热特性的测量最关键的因素之一是对温度的监测和控制，设计一个高效稳定的温度控制 和监测平台，可以大大提高热特性检测的精确度。目前在对LED进行热特性检测时，通常使 用恒温箱作为温控装置(肖炜,刘一兵.一种测量功率型LED热阻的方法[J].低温与超导, 2011,39(6):80-82)。恒温箱虽然温度控制精确，但是其体积较大，而且需要把器件放入其 中，导线连接等都操作不便。最重要的是，器件放入保温箱内就难以对其发光特性进行同步 检测，具有很大局限性。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中提到的存在问题，提供体积小、操作简单、控制温度 范围大，可与其他仪器或电路配合使用的一种功率型LED热学特性测量温控平台。

本发明设有LED夹持装置、导热热沉、温度传感器、上热电制冷器、下热电制冷器、隔热 胶层、散热热沉、电气接口、基座和散热风扇；

所述导热热沉表面设有与LED外形相似的凹台，凹台的两翼底面贴有绝缘胶层，凹台的两 侧面端设有螺纹孔，凹台的正中间设有盲孔，盲孔内设有弹簧，温度传感器放置在盲孔内并 位于弹簧的顶部，温度传感器的2根引脚导线从设于盲孔底部的通孔穿出并与电气接口连接； 凹台与LED底面的金属热沉贴合；

所述LED夹持装置设有左棒和右棒，左棒的内端设有左半凸轮，左棒的外端设有左手动转 轮；右棒的内端设有右半凸轮，右棒的外端设有右手动转轮；LED夹持装置安装在凹台两侧的 螺纹孔处，并通过旋转左手动转轮带动左半凸轮和旋转右手动转轮带动右半凸轮压紧LED的引 脚；与左半凸轮相连的导线穿过空心左棒和左手动转轮接电气接口，与右半凸轮相连的导线 穿过空心的右棒和右手动转轮接电气接口；

下半导体制冷器的底面与散热热沉相连，散热热沉底部与散热风扇相连，散热热沉和散 热风扇固定在塑料基座上，塑料基座上安装有电气接口，电气接口设有与LED两个引脚相连的 电路接口、驱动上半导体制冷器和下半导体制冷器制冷或加热的驱动电流接口、与温度传感 器相连的温度采集接口、驱动风扇转动的电源接口。

所述散热热沉可采用铜质梳状散热热沉。

所述散热热沉和散热风扇可通过螺钉固定在塑料基座上。

所述上半导体制冷器、下半导体制冷器与导热热沉外表面均可覆盖隔热胶层，以减小周 围环境温度对系统温度控制的影响。

本发明的功能齐全，既可以控制温度又可以测量实时温度还能够驱动LED发光进行检测。 同时本发明结构简洁紧凑，体积小。温控台在LED透镜以上的光照空间内，没有任何的遮挡 物，方便同时使用该平台对LED进行光功率或光照度等方面的测量。

附图说明

图1是现有的常用大功率LED封装外形图。

图2是本发明实施例的结构组成示意图。

图3是本发明实施例的导热热沉剖面结构示意图。

图4是本发明实施例的导热热沉俯视结构示意图。

图5是本发明实施例的手动转轮、半凸轮的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1～5，本发明实施例设有LED夹持装置4-3、导热热沉4-4、温度传感器4-2、上热 电制冷器4-5、下热电制冷器4-6、隔热胶层4-7、散热热沉4-8、电气接口4-10、基座4-9和散 热风扇4-11。

所述导热热沉4-4表面设有与LED外形相似的凹台2-7，凹台2-7的两翼底面贴有绝缘胶层 2-5，凹台2-7的两侧面端设有螺纹孔2-3，凹台2-7的正中间设有盲孔2-9，盲孔2-9内设有弹 簧2-6，温度传感器4-2放置在盲孔2-9内并位于弹簧2-6的顶部，温度传感器4-2的2根引脚导 线从设于盲孔2-9底部的通孔2-8穿出并与电气接口4-10连接；凹台2-7与LED底面的金属热沉 1-3贴合；所述LED夹持装置4-3设有左棒3-2-1和右棒3-2-2，左棒3-2-1的内端设有左半凸轮 3-3-1，左棒3-2-1的外端设有左手动转轮3-1-1；右棒3-2-2的内端设有右半凸轮3-3-2，右棒 3-2-2的外端设有右手动转轮3-1-2；LED夹持装置4-3安装在凹台2-7两侧的螺纹孔2-3处，并 通过旋转左手动转轮3-1-1带动左半凸轮3-3-1和旋转右手动转轮3-1-2带动右半凸轮3-3-2压 紧LED的引脚；与左半凸轮3-3-1相连的导线穿过空心左棒3-2-1和左手动转轮3-1-1接电气接 口4-10，与右半凸轮3-3-2相连的导线穿过空心的右棒3-2-2和右手动转轮3-1-2接电气接口 4-10。

下半导体制冷器4-6的底面与散热热沉4-8相连，散热热沉4-8底部与散热风扇4-11相连， 散热热沉4-8和散热风扇4-11通过螺钉4-12固定在塑料基座4-9上，塑料基座4-9上安装有电气 接口4-10，电气接口4-10设有与LED两个引脚相连的电路接口、驱动上半导体制冷器4-5和下 半导体制冷器4-6制冷或加热的驱动电流接口、与温度传感器4-2相连的温度采集接口、驱动 风扇转动的电源接口。

目前市场上最通用的大功率LED封装标准外形如图1所示，1-1为透镜，1-2为引脚，1-3为 金属热沉，LED主要通过金属热沉散热。本发明正是针对这种类型的封装所设计的温控测试台。

导热热沉4-4的剖面结构和俯视结构如图3和4所示，导热热沉4-4的材料为金属铜，表面 上加工一个与LED外形相似的凹台2-7，凹台的两翼底面贴有绝缘胶2-5，两侧面端加工了螺纹 孔2-3，凹台的正中间有一个盲孔2-9。盲孔内放置微型的温度传感器4-2和弹簧2-6，温度传 感器4-2为毫米级尺寸的微型铂电阻。弹簧2-6的一端顶住盲孔2-9，弹簧2-6的另一端与温度 传感器4-2(微型铂电阻)通过导热胶层粘结在一起。温度传感器4-2(微型铂电阻)的两根 引脚导线从底部的两个通孔2-8穿出，连到电气接口4-10。

LED夹持装置为两根凸轮棒，具体结构如图5所示，由偏心的左半凸轮3-3-1、右半凸轮 3-3-2、空心的塑料螺柱3-2、左手动转轮3-1-1、右手动转轮3-1-2和内置导线组成。夹持装 置安装在凹台两侧的螺纹孔处。夹持装置是通过旋转手动转轮带动凸轮压紧LED的引脚。铜质 的半凸轮和引脚紧密接触。内置的导线一端与铜质半凸轮相连，另一端穿过空心的螺柱从转 轮中间引出连到电气接口。

将待测LED放置在凹台内，旋转LED夹持装置，将LED的两个引脚固定住。同时LED底面的 金属热沉将和导热热沉贴合在一起，温度传感器4-2(微型铂电阻)由于弹簧的弹力，将顶住 LED的底部中心位置。安装好LED后如图1的上半部分所示。

导热热沉4-4的底面与上半导体制冷器4-5顶面贴合，上半导体制冷器4-5与下半导体制 冷器4-6顶面贴合，由于单个的TEC制冷速度较慢，且所能控制的温度范围有限。本发明将上 半导体制冷器4-5与下半导体制冷器4-6两个半导体制冷器叠加在一起使用，设电流从正端流 入负端流出，则根据帕涅尔效应，上半导体制冷器4-5的顶面和下半导体制冷器4-6的顶面温 度下降，两者底面面温度升高。由于制冷效率和温差有关，设上半导体制冷器4-5的顶面温度 为T1，下半导体制冷器4-6的底面温度为T2，两端温差为T2-T1，流过上半导体制冷器4-5与 下半导体制冷器4-6两个半导体制冷器的电流相同，则每个半导体制冷器两端温差为 (T2-T1)/2，比单个半导体制冷器产生相同温差的效率更高许多，同时温度的可控制范围将增 大许多。

下半导体制冷器4-6的底面与铜质的梳状散热热沉4-8相连，由大量的铜片规则叠加而成。 散热热沉4-8底部与散热风扇4-11相连。散热风扇4-11鼓动空气流过散热热沉4-8的梳状铜片， 进行高效的热传递。散热热沉4-8和散热风扇4-11通过螺钉4-12固定在塑料基座4-9上，塑料 基座4-9上安装有电气接口4-10，电气接口4-10包括与LED两个引脚相连的电路接口、驱动上 半导体制冷器4-5和下半导体制冷器4-6制冷或加热的驱动电流接口、与温度传感器4-2相连 的温度采集接口、驱动风扇转动的电源接口。

上半导体制冷器4-5、下半导体制冷器4-6与导热热沉4-4外表面都覆盖隔热胶层4-7，以 减小周围环境温度对系统温度控制的影响。

将待测LED底部涂抹上适量的导热膏，并置于导热热沉的凹台中心处，对齐放置好，使 引脚位于凹台两翼的绝缘胶上。往下压LED同时旋转手动轮，手动轮带动凸轮转动，慢慢压 紧LED的引脚，压紧后凸轮可以实现自锁。凸轮的材料为金属铜，它和空心螺柱内的导线相 连，导线就将LED的引脚和电气接口接线柱相连，通过外界加载电流或电压到接口的该接线 柱上，就可以驱动LED发光。这样的夹持装置操作简单的同时即保证了LED能够被夹紧锁住， 又确保了引脚导体间的紧密接触。

夹紧待测LED后，传感器被压入盲孔，由于弹簧弹力的作用，温度传感器将紧贴在LED 金属热沉底部，和其直接充分接触。温度传感器两端的导线通过盲孔底部的小孔引出，连接 到电气接口的温度采集接线柱上。外界通过连接该接线柱，就可以测得当前温度的值。

将电气接口上TEC驱动的接线柱和外界连接好。两个TEC的正负极同时通上电流，电流 的不同方向将在TEC上下两表面产生不同的热效应。上表面将温度传给导热热沉，导热热沉 温度马上随之变化。由于导热热沉和LED的底面及侧面有大范围的接触，LED的芯片温度将 随之发生变化。而温度传感器和LED直接接触，不和热沉直接接触，这样热沉的温度就不会 直接影响到温度传感器，温度传感器测得的就是真实的LED温度。这样的结构即保证了热沉 温度能快速传递给LED也确保了所测得LED温度的精确性。

TEC的下表面将温度传给散热热沉，散热风扇通过电气接口接通电源后往散热热沉鼓动 空气，使得散热热沉的温度尽量保持在环境温度附件。