LED熱特性和壽命的檢測(cè)技術(shù)

1、LED熱特性和壽命的檢測(cè)技術(shù)張維李倩潘建根杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司摘要:熱學(xué)特性和壽命是LED的兩大重要性能,受到人們的高度重視,且二者之間存在關(guān)聯(lián)。然而,對(duì)這兩大性能參數(shù)的檢測(cè)卻具有挑戰(zhàn)性。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求和最新研究,綜合分析了LED熱特性參數(shù)和壽命指標(biāo)的檢測(cè)要求和方法,同時(shí)介紹了國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備及特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:LED、熱阻、結(jié)溫、加速老煉、壽命1概述近年來(lái),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(lái)越受到人們的重視,特別是熱學(xué)特性,對(duì)LED光色電的性能和壽命有著顯著的影響。然而,對(duì)熱學(xué)特性和壽命的檢測(cè)具有挑

2、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(zhǎng)。檢測(cè)熱學(xué)特性的關(guān)鍵在于對(duì)LED結(jié)溫的準(zhǔn)確測(cè)量,現(xiàn)有的對(duì)LED結(jié)溫的測(cè)試一般有兩種方法:一種是采用紅外測(cè)溫法測(cè)得LED芯片表面的溫度并視其為L(zhǎng)ED的結(jié)溫,但是準(zhǔn)確度不夠;另一種是通過(guò)溫度敏感參數(shù)(temperature-sensitive parameter,簡(jiǎn)寫(xiě)為TSP獲取PN結(jié)溫,這是目前較普遍的LED結(jié)溫測(cè)試方法,其

3、技術(shù)難點(diǎn)在于對(duì)測(cè)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(guò)幾千小時(shí)甚至是一萬(wàn)多小時(shí),直接測(cè)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。2LED 熱學(xué)特性測(cè)試2.1LED 結(jié)溫和熱阻的測(cè)量美國(guó)EIA /JESD 51Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages 系列標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)SJ 20788-2000半導(dǎo)體二極管熱阻抗測(cè)試方法、GB /T 4023-1997半導(dǎo)體器件分

4、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(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)都較為詳細(xì)地介紹了通過(guò)溫度敏感參數(shù)TSP 測(cè)量結(jié)溫和熱阻的方法。對(duì)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式(1中K 為溫度敏感系數(shù),由下式可到:LL V T =H H V T K (2式(2中,V L 為低結(jié)溫T L (如25時(shí)LED 在測(cè)量電流I M (小電流下的正向電壓,V H 為高結(jié)溫T H (如100時(shí)LED 在測(cè)量電流I M 下的正向電壓。LED 結(jié)溫測(cè)量的時(shí)序如圖1所示: Ht 圖

5、1(a 電流時(shí)序圖圖1(b 電壓時(shí)序圖1首先對(duì)LED 正向施加測(cè)試電流I M ,測(cè)量正向結(jié)電壓V FI ;2用加熱電流I H 取代I M 加到待測(cè)LED 兩端,加熱一定時(shí)間(t H 待LED 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),測(cè)量所測(cè)LED 散熱通道上的熱耗散功率(P H ;3再用I M 迅速取代I H 加到待測(cè)LED 兩端,并測(cè)得正向結(jié)壓降(V FF ;4計(jì)算LED的結(jié)溫和熱阻:根據(jù)上述原理,結(jié)溫計(jì)算公式為: (3熱阻計(jì)算公式為: (4式(3中,為初始溫度,式(4中為散熱通道上指定點(diǎn)的溫度,例如,環(huán)境溫度或外殼溫度。對(duì)于LED,輸入的電功率一部分用于LED發(fā)光,另一部分產(chǎn)生熱量,而熱耗散功率P H往往很難從總輸

6、入電功率中區(qū)分出來(lái),因此為方便和簡(jiǎn)化測(cè)量,QB/T4057-2010提出了“參考熱阻”的概念,即使用輸入總功率替代式(4中的熱耗散功率。“參考熱阻”由于測(cè)量方便,復(fù)現(xiàn)性好,得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。在加熱電流I H作用下,監(jiān)視LED的結(jié)溫上升過(guò)程,獲取加熱曲線也很有意義,圖2所示為典型的加熱曲線,它不僅能夠判斷LED是否達(dá)到熱平衡,而且對(duì)于LED的結(jié)構(gòu)和散熱能力分析有具有參考作用。 圖2加熱曲線獲取加熱曲線的技術(shù)難點(diǎn)在于測(cè)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(guò)程,導(dǎo)致最終測(cè)試出的熱阻被

7、大幅低估。2.2LED光色參數(shù)隨溫度變化曲線的測(cè)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(lái)困擾。因此,有必要監(jiān)測(cè)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(cè)量與K系數(shù)的測(cè)量方法類似。 圖3白光LED的光通量和色溫隨結(jié)溫的變化關(guān)系1而考察環(huán)境溫度(參考點(diǎn)溫度對(duì)LED的光色參數(shù)的影響則更為直觀,對(duì)LED的應(yīng)用更具指導(dǎo)意義。該測(cè)量可在下述的加速老練和壽命試驗(yàn)箱中進(jìn)行。3LED壽命測(cè)試3.1LED的加速老練和壽命測(cè)試與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品不同,LED產(chǎn)品的壽命

8、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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中除了對(duì)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(duì)LED進(jìn)行等級(jí)分類。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)LM-80-08主要針對(duì)封裝LED及LED模塊的光通維持壽命測(cè)量,它提出了在三個(gè)外殼溫度下測(cè)量LED的光通維持率,分別為: 85ºC,55ºC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(cè)LED 的實(shí)際工作環(huán)境。老練測(cè)試時(shí)間為6000小時(shí),可根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行外推計(jì)算獲

9、取LED的壽命時(shí)間。如圖4所示為壽命推算曲線: 圖4LM-80壽命推算曲線LED的壽命很長(zhǎng),額定條件下的老練壽命測(cè)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(lái)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(cè)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(cè)設(shè)備概述4.1熱特性檢測(cè)設(shè)備和熱光電綜合測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)上述2.1節(jié)所討論的熱特性檢測(cè)

10、方法,其技術(shù)難點(diǎn)在于對(duì)測(cè)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(cè)量精度要高且LED的外部溫度必須能穩(wěn)定控制。國(guó)際上匈牙利的T3Ster LED熱阻測(cè)試系統(tǒng)和美國(guó)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(cè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)障礙。中國(guó)遠(yuǎn)方公司在對(duì)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(kāi)發(fā)出滿足上述技術(shù)要求的檢測(cè)設(shè)備HEO-200熱電測(cè)試系統(tǒng),價(jià)格較國(guó)外設(shè)備大幅降低。HEO-200采用MOS(Metal Oxide Semiconductor技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的切換,切換時(shí)間小于10s,能有效避免結(jié)溫冷卻帶來(lái)的試驗(yàn)誤差。在對(duì)瞬態(tài)數(shù)據(jù)的采集中,采用循環(huán)測(cè)試法,

11、即在2.1節(jié)所述步驟2中,通過(guò)在極短時(shí)間內(nèi)斷開(kāi)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) 1s，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(cè)試主機(jī)、靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱以及專業(yè)測(cè)量分析 軟件等，在系統(tǒng)工作中，為保證測(cè)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(cè)量。 圖 5 LED 熱特性檢測(cè)設(shè)備 為實(shí)現(xiàn) LED 的光色參數(shù)隨結(jié)溫變化曲線的測(cè)量以及不計(jì)發(fā)光功率的熱阻測(cè) 量，在上述系統(tǒng)基礎(chǔ)上， 配置具有同步觸發(fā)功

12、能的高精度快速光譜儀和積分球來(lái) 實(shí)現(xiàn)光色參數(shù)的測(cè)量。 4.2 加速老練和壽命檢測(cè)系統(tǒng) 對(duì)于加速老練和壽命的測(cè)試， 無(wú)論采用何種壽命推算模型或何種壽命等級(jí)劃 分方式，其硬件測(cè)量裝置基本相同，一般主要包括恒溫試驗(yàn)箱、老練測(cè)試主機(jī)、 多路溫度巡檢儀、光度計(jì)以及專業(yè)測(cè)控軟件。在測(cè)試過(guò)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(cè)試主機(jī)用于給被測(cè) LED 供電及完成各 LED 電參數(shù)的測(cè)量，多路溫度巡檢儀用于測(cè)量每顆 LED 的溫度，光度計(jì)用于測(cè)量 LED 的光度參數(shù)，上述三者將測(cè)試的結(jié)果反饋到系統(tǒng)軟件，軟件分析推算得到被測(cè) LED 的壽命。其實(shí)物裝置如圖 6 所示。 圖 6 加速老

13、練和壽命檢測(cè)系統(tǒng) 圖 7 為典型的 LED 老練壽命曲線。 圖 7 LED 老練壽命曲線 根據(jù)上述測(cè)量裝置，在不同的恒溫箱的條件下，測(cè)量出被測(cè) 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(duì)光通量隨環(huán)境溫度的變化曲線。 圖 8 LED 光通量隨環(huán)境溫度變化曲線 5. 小結(jié) 由于直接測(cè)量存在困難，對(duì) LED 的熱學(xué)特性和壽命的評(píng)價(jià)具有挑戰(zhàn)。然而 這兩大性能的精確檢測(cè)確是評(píng)價(jià)當(dāng)前 LED 水平的重要依據(jù)。我國(guó)已經(jīng)對(duì)這兩大 重要性能的測(cè)試做了較為深入的研究，并自主開(kāi)發(fā)了相關(guān)測(cè)試設(shè)備，能夠滿足目 前國(guó)內(nèi)外各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，使我國(guó)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(cè)。 參考文獻(xiàn) 1 Yuqin Zong and Yoshi Ohno. New Practical Method For Measurement Of High-Power LEDs. CIE Expert Symposium 2008 on Advances in P