檢測儀器：LED產(chǎn)品質(zhì)量分析和判斷的杠桿

　　一、全面考慮性能參數(shù)

　　半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）因其體積小、定向發(fā)射光、高亮度、PN結(jié)電特性等特點，從而在品質(zhì)的評價和檢測方法方面產(chǎn)生許多新的問題。不同的應(yīng)用場合，決定了對LED產(chǎn)品的性能要求。從光學(xué)性能來看，用于顯示的LED，主要是亮度、視角分布、顏色等參數(shù)。用于普通照明的LED，更注重光通量、光束的空間分布、顏色、顯色特性等參數(shù)，而生物應(yīng)用的LED，則更關(guān)心生物有效輻射功率、有效輻射照度等參數(shù)。此外，發(fā)光二極管既是一種光源，又是一種功率型的半導(dǎo)體器件，因此有關(guān)它的質(zhì)量必須從光學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等諸多方面進行綜合評價。

　　從目前LED產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度看，照明LED產(chǎn)品主要需考慮光學(xué)性能、電性能、熱性能、輻射安全和壽命等幾方面的參數(shù)

　　光學(xué)性能。LED的光學(xué)性能主要涉及到光譜、光度和色度等方面的性能要求。根據(jù)新制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“半導(dǎo)體發(fā)光二極管測試方法”，主要有發(fā)光峰值波長、光譜輻射帶寬、軸向發(fā)光強度、光束半強度角、光通量、輻射通量、發(fā)光效率、色品坐標(biāo)、相關(guān)色溫、色純度和主波長、顯色指數(shù)等參數(shù)。顯示用的LED，主要是視覺的直觀效果，因此對相關(guān)色溫和顯色指數(shù)不作要求，而照明用的白光LED，上述兩個參數(shù)就尤為重要，它是照明氣氛和效果的重要指標(biāo)，而色純度和主波長一般沒有要求。

電性能。LED的PN結(jié)電特性，決定了LED在照明應(yīng)用中區(qū)別于傳統(tǒng)光源的電氣特性，即單向非線性導(dǎo)電特性、低電壓驅(qū)動以及對靜電敏感等特點。目前主要的測量參數(shù)包括正向驅(qū)動電流、正向壓降、反向漏電流、反向擊穿電壓和靜電敏感度等。

　　熱性能。照明用LED發(fā)光效率和功率的提高是當(dāng)前LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一，與此同時，LED的PN結(jié)溫度及殼體散熱問題顯得尤為重要，一般用熱阻、殼體溫度、結(jié)溫等參數(shù)表示。

　　輻射安全。目前，國際電工委員會IEC將LED產(chǎn)品等同于半導(dǎo)體激光器的要求進行輻射的安全測試和論證。因LED是窄光束、高亮度的發(fā)光器件，考慮到其輻射可能對人眼視網(wǎng)膜的危害，因此，對于不同場合應(yīng)用的LED，國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其有效輻射的限值要求和測試方法，目前在歐盟和美國，照明LED產(chǎn)品的輻射安全作為一項強制性的安全要求執(zhí)行。

　　可靠性和壽命。可靠性指標(biāo)是衡量LED在各種環(huán)境中正常工作的能力。在液晶背光源和大屏幕顯示中特別重要。壽命是評價LED產(chǎn)品可用周期的質(zhì)量指標(biāo)，通常用有效壽命或終了壽命表示。在照明應(yīng)用中，有效壽命是指LED在額定功率條件下，光通量衰減到初始值的規(guī)定百分比時所持續(xù)的時間。

　　二、重視制定測量標(biāo)準(zhǔn)

　　LED的發(fā)光面小、光束狹窄、亮度高等特點決定了其檢測的特殊性，為了應(yīng)對這個問題，CIE分別成立了“TC2-45 LED測量”和“TC2-46 CIE/ISO LED強度測量標(biāo)準(zhǔn)”兩個技術(shù)委員會。CIE TC2-34小組于1997年10月在維也納總部召開會議，制定并推薦了CIE 127-1997LED測量標(biāo)準(zhǔn)，它涉及LED輻射度、光度和色度測量。但是由于近年來LED的技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是照明用白光LED的產(chǎn)品，許多問題都是過去所未考慮到的。因此，在1999年日本東京都舉行的CIE年會上，與會的發(fā)達國家代表提議，由CIE TC2-34制定白光LED照明器具標(biāo)準(zhǔn)，日本代表團還提交了一般照明用白光LED的兩項標(biāo)準(zhǔn)草案。

　　為了發(fā)展照明LED技術(shù)，發(fā)達國家都非常重視LED測試方法及標(biāo)準(zhǔn)的研究。例如美國國家標(biāo)準(zhǔn)檢測研究所（NIST）組織國際知名測試專家開展LED測試的研究，重點研究LED發(fā)光特性、溫度特性和光衰特性等測試方法，試圖建立整套的LED測試方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在LED測試方面已經(jīng)走在了世界的前列。日本成立了“白光LED測試研究委員會”專門研究照明用白光LED的測試方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。世界發(fā)達國家為了搶占LED研究的制高點，在LED標(biāo)準(zhǔn)和測試方面都投入了大量的人力物力，在標(biāo)準(zhǔn)方面注重選擇LED的特性參數(shù)及測試方法的研究。

　　在我國，半導(dǎo)體發(fā)光二極管測試方法目前尚無相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，因此在不同的生產(chǎn)廠家以及用戶之間經(jīng)常產(chǎn)生很大爭議。近年來，中國光協(xié)光電器件專業(yè)分會陸續(xù)組織了多次的半導(dǎo)體發(fā)光二極管測試方法的學(xué)術(shù)研討和交流，業(yè)界人士逐步形成較為統(tǒng)一的認識，并制定了統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T2355-2005“半導(dǎo)體發(fā)光二極管測試方法”，在行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品交流、對比中發(fā)揮了重要作用，該標(biāo)準(zhǔn)不僅采納了CIE127-1997“Measurement of LEDs”的方法，同時結(jié)合照明用功率型白光LED的發(fā)展需求，增加了顯色特性、結(jié)溫等參數(shù)的測量方法，為照明LED產(chǎn)品的發(fā)展提供了極為重要的依據(jù)。

　　近幾年來，多芯片或多管組合型LED燈的發(fā)展亦非常迅速，而國內(nèi)外還沒有專門針對LED燈制定相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)。但是作為一種照明應(yīng)用產(chǎn)品，國際電工委員會IEC和國際照明委員會CIE已有相關(guān)的測量標(biāo)準(zhǔn)。照明用LED燈的中心光強和光束角可參照IEC61341-1994的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，同樣國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19658-2005“反射燈的中心光強和光束角的測量方法”已由浙大三色儀器公司負責(zé)起草完成，并于2005年8月開始實施。對于光譜輻射及顏色的測量，則可參照CIE NO.63 號文件及國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7922-2003等執(zhí)行。

　　隨著人們對光生物安全性的重視，根據(jù)國際電工委員會IEC60825標(biāo)準(zhǔn)的要求，LED燈或燈具產(chǎn)品必須按照類似于激光器件的要求進行輻射安全的檢測。國內(nèi)的企業(yè)普遍對此重視不夠。隨著國內(nèi)更多的LED產(chǎn)品進入美國和歐盟等國際市場，將會涉及更多較為復(fù)雜的輻射安全的測試問題。對于目前發(fā)展迅速的寬光束LED產(chǎn)品，上述IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求可能太苛刻。對于常規(guī)照明用的燈和燈系統(tǒng)，考慮到可能對人體皮膚和眼睛的健康造成危害，國際電工委員會于2002年采納了國際照明委員會的文件CIE S009/E2002“燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性”，作為IEC的正式標(biāo)準(zhǔn)。為了應(yīng)對國際上的變化，我國于2004年亦制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)由國家電光源檢測中心（北京）和浙江大學(xué)三色儀器有限公司負責(zé)起草，并將于近期正式發(fā)布。

　　三、努力開發(fā)檢測儀器

　　國際上，美國、德國和日本等國家在LED的檢測儀器方面起步較早，并形成了一定的特色。在國內(nèi)，近年來LED的檢測儀器發(fā)展非常迅速，已逐步研發(fā)成功了從LED芯片、發(fā)光材料、LED管、LED燈和燈具等產(chǎn)業(yè)的上、中、下游各個環(huán)節(jié)的檢測儀器，包括實驗室研發(fā)用的檢測儀器、生產(chǎn)線上的自動檢測和分選設(shè)備以及產(chǎn)品的品質(zhì)檢驗用儀器。測量指標(biāo)包括：光譜、光度、色度、輻射、電參數(shù)、熱阻、可靠性和壽命等參數(shù)。

　　在實驗室研發(fā)及品質(zhì)檢測儀器方面，基本上可以滿足國內(nèi)LED產(chǎn)品發(fā)展的一般需求。國內(nèi)的儀器價格上往往有比較大的優(yōu)勢，只有進口儀器的幾分之一，這對國內(nèi)眾多的中小型LED企業(yè)初期的產(chǎn)品質(zhì)量的提高起到一定的積極作用。但是，由于某些儀器制造的技術(shù)水平以及對LED測量標(biāo)準(zhǔn)的認識差距，使得各個廠家之間的儀器測量結(jié)果往往存在明顯的差別。典型的情況，如發(fā)光二極管的軸向強光的測量，普遍存在測量結(jié)果的可對比性差。對于同一LED管子，兩個廠家之間的測量結(jié)果可能存在百分之十幾，甚至百分之幾十的誤差，遠遠超過一般的光度測量精度范圍。

　　目前，在LED光電測量中應(yīng)特別注意下列幾方面的問題：

　　首先，測量的標(biāo)準(zhǔn)。

　　發(fā)光二極管的光輻射實際上是一種定向的成像光束，因此不能按照一般教科書中的光度測量規(guī)則測量和計算發(fā)光強度。也就是說，一般情況下發(fā)光強度不能簡單地用探測面上的照度和距離平方反比定律來計算。CIE 127-1997“發(fā)光二極管測量”出版物把LED的強度測試確定為平均強度的概念，并規(guī)定了統(tǒng)一的測試結(jié)構(gòu)，包括探測器接收面的大小和測量距離的要求。這樣就為LED的準(zhǔn)確測試比對奠定了基礎(chǔ)。雖然CIE的文件并非國際標(biāo)準(zhǔn)，但目前已得到國際上的普遍認同和采用。我國的LED行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與該CIE文件的方法完全一致。

　　第二，光度測量傳感器的光譜響應(yīng)。

　　目前，在LED測量儀器中所用的光度測量傳感器是采用硅光電二極管和相應(yīng)的視覺光譜響應(yīng)校正濾光片組成。為了使探測器的光譜響應(yīng)函數(shù)與CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者光譜光視效率函數(shù)V（λ）一致，一般需由多片濾光片組成。由于受材料及工藝的限制，某些儀器的傳感器在光譜匹配上存在一定的差異，當(dāng)儀器出廠定標(biāo)所用的標(biāo)準(zhǔn)源（通常采用2856K鎢絲燈）與所測量LED光度量值就會產(chǎn)生明顯的偏差，而且對某些單色LED往往更加明顯。因此應(yīng)采用光譜響應(yīng)曲線在各個波長符合度較好的高精度光度探測器，或者采用光譜輻射法測量，并由計算機加權(quán)積分，得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。否則，必須采用LED標(biāo)準(zhǔn)樣管對儀器進行定標(biāo)或校正，才能得到比較一致的結(jié)果。

　　第三，測量的方向性。

　　發(fā)光二極管發(fā)射光的方向性很強，測量方向的定位將明顯影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。尤其LED的軸向光強測量中，一些儀器沒有對測量LED的方向作限定，這樣就很難保證測量精度。

　　在LED的測試供電驅(qū)動中，LED本身結(jié)溫的升高對電參數(shù)和發(fā)光的影響不容忽視。因此，測量時的環(huán)境溫度及器件的溫度平衡是非常重要的一項測量條件。

　　從國內(nèi)外現(xiàn)有的LED檢測儀器來看，基本上是針對發(fā)光二極管的測試要求。隨著功率型LED的發(fā)展，對測試方法的統(tǒng)一和儀器的要求，越來越受到大家的關(guān)注。現(xiàn)有的許多測試儀器，對于照明用LED燈的測量將會帶來很多新的問題。因此，在選購和使用LED測量儀器的過程中，必須根據(jù)產(chǎn)品的種類、特性及相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)來確定。

　　隨著LED產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，行業(yè)內(nèi)應(yīng)針對LED產(chǎn)品不同階段的要求，盡快制定統(tǒng)一的檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)，形成符合實際需求、有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的檢測儀器，從而有利于上、中、下游各產(chǎn)業(yè)鏈的相互配合和協(xié)調(diào)發(fā)展，促進照明LED市場競爭力的提高。值得注意的是，檢測儀器是產(chǎn)品質(zhì)量分析和判斷的杠桿，儀器的精度和可靠性應(yīng)該是最重要的指標(biāo)。中國的一起制造企業(yè)，應(yīng)該發(fā)展更多具有國際先進水平的檢測儀器，滿足照明LED產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的需求。