明新科技大學光電系使用NI產品開發LED多物理特性動態量測系統

Author(s):
殷 尚彬 - 明新科技大學光電系統工程系
黃 秉鈞 - 台灣大學機械工程研究所 新能源中心
湯 鈞汶 - 台灣大學機械工程研究所 新能源中心

Industry:
Semiconductor

Products:
GPIB, LabVIEW, PXI/CompactPCI, SCC

The Challenge:
LED是光電元件，而其光電特性又會明顯地受溫度所影響。但是環顧現有市場上的LED量測設備，皆僅能單純地量測LED的電性、光性或電性以及熱特性，目前並未有完整的多物理量的整合性量測系統。

The Solution:
LabVIEW為控制軟體，配合DAQ控制卡為量測物理量之輸出入核心，完成光、電、熱的多重特性分析擷取。

本文榮獲2007第六屆虛擬儀控徵文比賽學術組佳作

研究內容

隨著高功率LED技術在近年來持續地進步，具有高效能、使用壽命長且環保的高功率LED已經被普遍認為將成為未來在背光模組、車用照明及一般照明中燈源的主流。但在另一方面，隨著高功率LED產品的大量商品化，高功率LED產品驗證及相關量測技術的開發亦刻不容緩，而這些技術的整合及自動化更成為高功率LED在產品驗證時重要的一環。

LED是光電元件，而其光電特性又會明顯地受溫度所影響。但是環顧現有市場上的LED量測設備，皆僅能單純地量測LED的電性、光性或電性以及熱特性，目前並未有完整的多物理量的整合性量測系統。故本研究採用介面簡易的LabVIEW為控制軟體，配合DAQ控制卡為量測物理量之輸出入核心，完成光、電、熱的多重特性分析擷取。在軟體的部分則藉由LabVIEW提供的功能以得到量測的分析結果，並可顯示各物理特性的相應關係及時間動態響應，而LED製造廠商可以藉由這些量此與分析的資料評斷這些LED發光晶片及封裝結構的良莠。

 

基本上本專題所研製的系統，可同時且連續量出LED之特性如下：

 ★光特性：總光通量、發光光譜。

★顏色特性：相關色溫、演色性、CIE1931 x,y、CIE1976 u^,,v^,。

 ★電特性：順向電壓、耗電瓦數。

 ★熱特性：LED接面溫度、封裝外殼溫度、環境溫度。

 ★綜合特性：封裝元件熱阻、LED發光效率

上述大部分的物理量可用量測儀器直接測得，這些量測的儀器均可利用GPIB介面以LabVIEW控制，並取得量測資料。其中因為LED晶片處於封裝結構中，因此關於晶片發熱的特性，也就是所謂的晶片接面溫度，並無法直接測得。本專題研究將利用二極體方程式，找出定電流下電壓、溫度為線性關係，再用瞬時驅動方式間接推估LED晶片接面溫度變化。

整體來說，整個系統的量測程序需先經過校正後才開始進行標準的量測，因此測試過程需分兩大步驟：

 

1. 校正分析實驗。

將LED置於具有定功率加熱器的風道中，以LabVIEW程式控制電源供應器增減風量，以調整風道溫度。在風道溫度呈現穩態時，透過自製電路以DAQ卡提供LED脈衝電流，並同時量測對應電壓。改變溫度設定及重複以上程序，即可校正出LED的電壓、溫度關係曲線。校正分析實驗之接線如圖一。

 

2. 特性量測實驗。

各特性測試需先將LED操作於高電流，即時逐步記錄並分析所有特性。光通量可由積分球收集光，透過DAQ卡的電流模組光電流；顏色特性可用USB介面的光譜儀(Spectrometer)，擷取光譜並做後續分析；電特性由DAQ卡直接獲得；熱特性藉由熱電偶模組求出。其中量測LED接面溫度較複雜，需使用自製電路透過電源電表(Source Meter)產生定電流，用DAQ的產生脈波以切換電流，以產生並瞬時低電壓，利用此電壓即可換算出LED接面溫度。特性量測實驗之接線如圖二。

 

結論與建議

 

本研究採用介面簡易的LabVIEW為控制軟體，配合DAQ控制卡與GPIB介面為量測物理量之輸出入核心，完成光、電、熱的多重特性分析擷取，在取得量測結果後利用LabVIEW進行光度與色度的分析，並可顯示各物理特性的相應關係及時間動態響應，而LED製造廠商可以藉由這些量此與分析的資料評斷這些LED發光晶片及封裝結構的良莠。同時本系統因為利用設計簡易且擴充性強大的LabVIEW進行程式的設計，因此未來如果需要在本系統中加入LED其他參數的量測時將更為簡易。

 

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殷 尚彬
明新科技大學光電系統工程系
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