LED熱特性和壽命的檢測技術(shù)

1 概述

近年來，LED照明技術(shù)快速發(fā)展，在LED的光效、色溫、顯色性等光色指標(biāo)備受關(guān)注的同時(shí)，LED的熱學(xué)特性和壽命也越來越受到人們的重視，特別是熱學(xué)特性，對LED光色電的性能和壽命有著顯著的影響。然而，對熱學(xué)特性和壽命的檢測具有挑戰(zhàn)性。

LED的熱學(xué)特性主要包括LED結(jié)溫、熱阻、瞬態(tài)變化曲線（加熱曲線、冷卻曲線）等。結(jié)溫是指LED的PN結(jié)溫度，熱阻是指LED散熱通道上的溫度差與該通道上的耗散功率之比，用于表征LED的散熱能力，研究表明，LED的熱阻越低其散熱性能越好，相應(yīng)的LED光效一般也越高，壽命越長。檢測熱學(xué)特性的關(guān)鍵在于對LED結(jié)溫的準(zhǔn)確測量，現(xiàn)有的對LED結(jié)溫的測試一般有兩種方法：一種是采用紅外測溫法測得LED芯片表面的溫度并視其為LED的結(jié)溫，但是準(zhǔn)確度不夠；另一種是通過溫度敏感參數(shù)（temperature-sensitive parameter，簡寫為TSP）獲取PN結(jié)溫，這是目前較普遍的LED結(jié)溫測試方法，其技術(shù)難點(diǎn)在于對測試設(shè)備要求較高。

LED的壽命主要表現(xiàn)為它的光衰，通常把LED光輸出衰減到初始光輸出的70%或50%作為判斷壽命失效的指標(biāo)，即光通量維持壽命。但由于LED是高可靠性器件，壽命一般都會(huì)超過幾千小時(shí)甚至是一萬多小時(shí)，直接測量等待光衰到指定值的做法在工業(yè)上的應(yīng)用十分困難。

2 LED熱學(xué)特性測試

2.1 LED結(jié)溫和熱阻的測量

美國EIA/JESD51 《Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages 》系列標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)SJ20788-2000 《半導(dǎo)體二極管熱阻抗測試方法》、GB/T4023-1997《半導(dǎo)體器件分立器件和集成電流 第2部分：整流二極管》、QB/T 4057-2010《普通照明用發(fā)光二極管 性能要求》等國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)都較為詳細(xì)地介紹了通過溫度敏感參數(shù)TSP測量結(jié)溫和熱阻的方法。對于LED，TSP為PN結(jié)兩端的正向電壓。在確定電流下，LED的正向偏壓與結(jié)溫之間近似成反比關(guān)系，由此可得到結(jié)溫的變化為：

1）首先對LED正向施加測試電流IM，測量正向結(jié)電壓VFI；

2）用加熱電流IH取代IM加到待測LED兩端，加熱一定時(shí)間（tH）待LED達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，測量所測LED散熱通道上的熱耗散功率（PH）；

3） 再用IM迅速取代IH加到待測LED兩端，并測得正向結(jié)壓降（VFF）；

4） 計(jì)算LED的結(jié)溫和熱阻：

獲取加熱曲線的技術(shù)難點(diǎn)在于測試電流與加熱電流切換時(shí)間必須要足夠短，并且瞬態(tài)數(shù)據(jù)的采集必須非常迅速。切換時(shí)間和數(shù)據(jù)采集時(shí)間一般要達(dá)到幾到十幾微秒，否則不能反映出LED結(jié)溫的實(shí)際變化過程，導(dǎo)致最終測試出的熱阻被大幅低估。

2.2 LED光色參數(shù)隨溫度變化曲線的測量

封裝LED的光色參數(shù)一般是在PN結(jié)為25±1℃的條件下給出的，而在實(shí)際工作中，結(jié)溫通常高于25℃，其光色性能會(huì)發(fā)生較大變化，這也給封裝LED的應(yīng)用帶來困擾。因此，有必要監(jiān)測LED的光色參數(shù)隨結(jié)溫變化的情況，如圖3所示。光色參數(shù)隨PN結(jié)溫度變化曲線的測量與K系數(shù)的測量方法類似。

而考察環(huán)境溫度（參考點(diǎn)溫度）對LED的光色參數(shù)的影響則更為直觀，對LED的應(yīng)用更具指導(dǎo)意義。該測量可在下述的加速老練和壽命試驗(yàn)箱中進(jìn)行。

3 LED壽命測試

3.1 LED的加速老練和壽命測試

與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品不同，LED產(chǎn)品的壽命終了主要表現(xiàn)為光衰到一定程度，如衰減到50%或70%流明維持率，即L50或L70?，F(xiàn)有的國際標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)中除了對壽命時(shí)間提出要求外，一般還要求燃點(diǎn)3000h時(shí)光通維持率應(yīng)不低于92%，在燃點(diǎn)6000h時(shí)其光通維持率應(yīng)不低于88%；也有標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)6000h時(shí)的光通維持率對LED進(jìn)行等級分類。美國標(biāo)準(zhǔn)LM-80-08主要針對封裝LED及LED模塊的光通維持壽命測量，它提出了在三個(gè)外殼溫度下測量LED的光通維持率，分別為：85?C ，55?C 和制造商選擇的溫度，在高溫下老練LED，主要是為了模擬被測LED的實(shí)際工作環(huán)境。老練測試時(shí)間為6000小時(shí)，可根據(jù)測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行外推計(jì)算獲取LED的壽命時(shí)間。如圖4所示為壽命推算曲線：

LED的壽命很長，額定條件下的老練壽命測試極為耗時(shí)。除了上述的根據(jù)初期光通維持率變化外推出L50或L70壽命時(shí)間的外推法之外，還可以使用加速老練壽命試驗(yàn)的解決方案，即在不改變LED失效機(jī)理的前提下，加大應(yīng)力條件來加快LED的衰減速度，從而減少壽命試驗(yàn)的時(shí)間[2-3]。目前加速壽命試驗(yàn)可分為增大測試電流和提高環(huán)境溫度兩種加速方法，以電流加速試驗(yàn)為主。加速老練獲取的壽命值可根據(jù)阿侖尼斯（Arrhenius）模型計(jì)算出額定條件下LED的期望壽命。

4 檢測設(shè)備概述

4.1 熱特性檢測設(shè)備和熱光電綜合測試系統(tǒng)

根據(jù)上述2.1節(jié)所討論的熱特性檢測方法，其技術(shù)難點(diǎn)在于對測試設(shè)備性能要求很高：電流切換和采樣速率必須足夠快、電壓測量精度要高且LED的外部溫度必須能穩(wěn)定控制。國際上匈牙利的T3Ster LED熱阻測試系統(tǒng)和美國的Phase11熱阻分析儀能基本滿足要求，但這兩款儀器的價(jià)格昂貴，給工業(yè)檢測帶來經(jīng)濟(jì)障礙。中國遠(yuǎn)方公司在對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的深入研究基礎(chǔ)上，根據(jù)LED的特點(diǎn)，開發(fā)出滿足上述技術(shù)要求的檢測設(shè)備HEO-200熱電測試系統(tǒng)，價(jià)格較國外設(shè)備大幅降低。

HEO-200采用MOS（Metal Oxide Semiconductor）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電流的切換，切換時(shí)間小于10μs，能有效避免結(jié)溫冷卻帶來的試驗(yàn)誤差。在對瞬態(tài)數(shù)據(jù)的采集中，采用循環(huán)測試法，即在2.1節(jié)所述步驟2）中，通過在極短時(shí)間內(nèi)斷開加熱電流情況下快速采集數(shù)據(jù)以得到瞬態(tài)變化數(shù)據(jù)，并配以1MHz/s的采樣速度，采集瞬態(tài)數(shù)據(jù)的精度高達(dá)1μs，保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示，包括測試主機(jī)、靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱以及專業(yè)測量分析軟件等，在系統(tǒng)工作中，為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用內(nèi)置的恒流源給LED提供電壓，確保LED發(fā)光穩(wěn)定。該套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)溫、熱阻（瞬態(tài)熱阻、穩(wěn)態(tài)熱阻）、加熱曲線和冷卻曲線的準(zhǔn)確測量。

為實(shí)現(xiàn)LED的光色參數(shù)隨結(jié)溫變化曲線的測量以及不計(jì)發(fā)光功率的熱阻測量，在上述系統(tǒng)基礎(chǔ)上，配置具有同步觸發(fā)功能的高精度快速光譜儀和積分球來實(shí)現(xiàn)光色參數(shù)的測量。

4.2 加速老練和壽命檢測系統(tǒng)

對于加速老練和壽命的測試，無論采用何種壽命推算模型或何種壽命等級劃分方式，其硬件測量裝置基本相同，一般主要包括恒溫試驗(yàn)箱、老練測試主機(jī)、多路溫度巡檢儀、光度計(jì)以及專業(yè)測控軟件。在測試過程中，恒溫試驗(yàn)箱能控制LED的環(huán)境溫度到達(dá)指定溫度值，老練測試主機(jī)用于給被測LED供電及完成各LED電參數(shù)的測量，多路溫度巡檢儀用于測量每顆LED的溫度，光度計(jì)用于測量LED的光度參數(shù)，上述三者將測試的結(jié)果反饋到系統(tǒng)軟件，軟件分析推算得到被測LED的壽命。其實(shí)物裝置如圖6所示。

根據(jù)上述測量裝置，在不同的恒溫箱的條件下，測量出被測LED的光度，就可以得到LED光度-環(huán)境溫度--時(shí)間變化曲線（溫度特性試驗(yàn)），如配置光譜儀設(shè)備，就可以得到被試LED色度-環(huán)境溫度-時(shí)間變化曲線（溫度特性試驗(yàn)）。圖8為典型的LED 相對光通量隨環(huán)境溫度的變化曲線。

5. 小結(jié)

由于直接測量存在困難，對LED的熱學(xué)特性和壽命的評價(jià)具有挑戰(zhàn)。然而這兩大性能的精確檢測確是評價(jià)當(dāng)前LED水平的重要依據(jù)。我國已經(jīng)對這兩大重要性能的測試做了較為深入的研究，并自主開發(fā)了相關(guān)測試設(shè)備，能夠滿足目前國內(nèi)外各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，使我國工業(yè)界能夠進(jìn)行高精度、低成本的熱特性和壽命性能檢測。