LED照明產(chǎn)品檢測方法中的缺陷和改善對策VIP

1、LED照明產(chǎn)品檢測方法中的缺陷和改善措施 作者：俞安琪 國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（上海） 國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心摘要：傳統(tǒng)的LED及其模塊光、色、電參數(shù)檢測方法有電脈衝驅(qū)動，CCD快速光譜測量法，也有在一定的條件下，熱平衡后的測量法，但這些方法的測量條件和結(jié)果與LED進入照明器具內(nèi)的實際工作情況相差甚遠。文章介紹了通過Vf-Tj曲綫的標(biāo)出并控制LED在控定的結(jié)溫下測量其光、色、電參數(shù)的方法。不僅對采用LED的照明器具如何保證LED工作結(jié)溫提供了目標(biāo)限位，同時也使LED及其模塊的光、色、電參數(shù)的測量參數(shù)更接近于實際的應(yīng)用條件。文章還介紹了采用LED的照明器具如何測量LED的結(jié)溫并確定LED參

2、考點的限值溫度與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)係。這對快速評估采用LED的照明器具的工作狀態(tài)和使用壽命提供了一個有效的途徑。一、 序言對於一個新興的產(chǎn)品，其產(chǎn)品自身的發(fā)展總是先於產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法。雖然產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法不可能先於產(chǎn)品的研發(fā)，但是，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法應(yīng)盡可能地緊跟產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)的進度，因為產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法的制定過程本事就是對產(chǎn)品研發(fā)過程的回顧研討和小結(jié)，只要條件基本成熟，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法的制定越及時，就越能減少產(chǎn)品研發(fā)過程中的盲目性。LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，我們對LED照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法的回顧的時刻已基本到來。1、傳統(tǒng)LED模塊的檢測方法 第一種是采用脈衝測量的方法，它是把照明

3、LED模塊固定在測量裝置上（例如積分球的測量位置等），采用脈衝恒流電源與瞬時測量光譜儀的同步聯(lián)動，即對LED發(fā)出數(shù)十秒至數(shù)百秒恒流的脈衝電流的同時，同步打開瞬時測量光譜的快門，對LED（光、色、電參數(shù)）進行快速檢測。 特點：LED的結(jié)溫幾乎等同于室溫，所以光效高，光、電參數(shù)與實際有明顯差異，不具有可比性。 第二種檢測方法是把LED模塊安裝在檢測裝置上后，可能帶上一固定的散熱器，給LED施加其聲稱的工作電流（可能具有基座控溫功能），受傳統(tǒng)的照明光源檢測方法的影響，也是等到LED達到熱平衡時開始測量它的光電參數(shù)。 特點：這種方法看似比較嚴(yán)謹(jǐn)，但實際上，它的熱平衡條件和工作條件與此類LED裝入最終的

4、照明器具中的狀態(tài)仍沒有好的關(guān)聯(lián)性，所以所測光電參數(shù)與今後實際應(yīng)用狀態(tài)的參數(shù)仍不具有可比性。 已頒布的標(biāo)準(zhǔn)中測量方法 已頒布的GBT24824-2009/CIE 127-2007 NEQ普通照明用LED模塊的基本性能的測量方法標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：“試驗或測量時LED模塊應(yīng)工作在熱平衡狀態(tài)下，在監(jiān)視環(huán)境溫度的同時，最好能監(jiān)視LED模塊自身的工作溫度，以保證試驗的可復(fù)現(xiàn)性。如可能檢測LED模塊結(jié)電壓，則應(yīng)首選監(jiān)測結(jié)電壓。否則，應(yīng)監(jiān)測LED模塊指定溫度測量點的溫度。如LED模塊工作時需要與外加散熱器（包括主動製冷），則應(yīng)嚴(yán)格限定散熱器的特性與尺寸，同時應(yīng)在規(guī)定的位置監(jiān)測散熱器的溫度，在測試報告中應(yīng)具體描述外加

5、散熱器?！庇纱丝梢?，在監(jiān)測結(jié)電壓的條件下來測量LED模塊的光電參數(shù)是保證檢測重現(xiàn)性的首選方案，但是，標(biāo)準(zhǔn)中沒有指明在模擬實際使用結(jié)溫條件下檢測LED模塊的光、色、電參數(shù)。2、LED模塊測量方法的改進 LED的光、電參數(shù)與它工作時的結(jié)溫密切相關(guān)，同一個LED產(chǎn)品，結(jié)溫的不同會造成這些參數(shù)的明顯不同，所以測量LED的光、電參數(shù)首先應(yīng)該考慮在設(shè)定的工作結(jié)溫條件下來進行。 另外，因為封裝工藝、材料等差異，最高工作結(jié)溫是明顯不同的，爲(wèi)了保證LED照明產(chǎn)品具有高效、長壽的特點，實際的工作結(jié)溫應(yīng)該明顯低於最高工作結(jié)溫。例如，目前我們大量采用的封裝技術(shù)，在LED的發(fā)光之前，都具有高分子硅膠加熒光粉的覆蓋層。實

6、踐證明，要使此類LED照明燈具到70%的光通維持率的時間要6萬小時，其工作結(jié)溫必須在70°C75°C以下。從提高光效和使用壽命的角度看，工作結(jié)溫在60°C以下更好，但從照明器具的造型、體積、性價比來講，則應(yīng)該達到預(yù)期的光效和使用壽命的基礎(chǔ)上把最高工作結(jié)溫控制在70°C75°C最為合適。爲(wèi)了使LED及其模塊的光、色、電參數(shù)的檢測也盡可能接近於實際應(yīng)用的結(jié)溫狀態(tài)，就必須解決如何測量LED的結(jié)溫并能在這一結(jié)溫下進行光、色、電參數(shù)的檢測問題。（1） 目前LED的結(jié)溫測量方法a、 通過測量管腳溫度和芯片耗散功率和熱阻係數(shù)得到結(jié)溫。但是因為耗散功率和熱阻係

7、數(shù)的不準(zhǔn)確，所以測量精度比較低。b、 外部熱成像法，要求LED處於為封裝的狀態(tài)，另外對封裝材料折射率有特殊要求，否則無法精確測量，測量精度比較低。c、 利用發(fā)光光譜峰位移測定結(jié)溫，是一種非接觸的測量方法。直接從發(fā)光光譜確定禁帶寬度移動技術(shù)來測量結(jié)溫，這一方法對光譜測試儀器分辨精度要求較高，發(fā)光峰位的精度測量難度較大，而光譜峰值位移1nm的誤差變化就對應(yīng)著測量結(jié)溫約30°的變化，所以測量精度和重複性都比較低。d、 向列型液晶熱成像技術(shù)，對儀器分辨率要求高，只能測量未封裝的單個裸芯片，不能測量封裝后的LED.e、 利用二極管PN結(jié)電壓與結(jié)溫的Vf-Tj關(guān)係曲綫來測量LED的結(jié)溫。LED最

8、具可行性的結(jié)溫測量方法 從上述介紹的各種LED結(jié)溫的測量方法可以看出，采用監(jiān)視二極管PN結(jié)電壓來推算結(jié)溫的方法最具可行性且測量精度也最高，所以在很多集成IC電路中，爲(wèi)了檢測IC芯片的工作結(jié)溫，往往會刻出或植入一個或幾個二極管，通過測量其正向電壓降的變化來達到測量芯片結(jié)溫的目的。（2） 目前國際上較先進的Vf-Tj測量方法a、 把被測的LED放入在硅油缸內(nèi)，加熱硅油缸達到130°Cb、 自然冷卻，每下降2°C10°C時瞬時給LED輸入規(guī)定的電流脈衝，并測量這一溫度和正向電壓降c、 把這一測量點的溫度和正向電壓降導(dǎo)入到電腦軟件數(shù)據(jù)庫中，由軟件產(chǎn)生Vf-Tj曲綫這一方法

9、屬於在溫度下降時測量方法。缺點是：當(dāng)硅油缸的溫度較高時，與環(huán)境溫度的溫差大而使冷卻速度較快，爲(wèi)了保證測量的準(zhǔn)確性采用了適當(dāng)?shù)拇胧┦构栌透自跍囟容^高時溫度下降不致於太快，但當(dāng)硅油缸溫度較低時，與室溫的溫差太小而使冷卻的速度太慢，這大大延長了這一檢測過程的測量時間。加熱在外部，控溫和測量存在明顯的滯後，影響準(zhǔn)確性。（3）新的Vf-Tj檢測方法采用電腦設(shè)定的PID（積分、微分加上加熱與不加熱時間比例控制）方法來加熱和控制硅油缸的溫度，從而保證了油缸內(nèi)的硅油溫差保持在0.2°C範(fàn)圍內(nèi)?？梢砸?.5°C的間隔測量一次，可逐步調(diào)整到每上升10°C測量一次。從25°C

10、到130°C檢測時間約為2.5小時左右，能明顯低於目前國際上已有的檢測裝置的測量時間。采用雙硅油缸結(jié)構(gòu)，當(dāng)完成一組樣品的測量后，更換一個硅油缸可立即開始第二組LED的測量。本測量裝置在每一個測量溫度點測得的溫度和LED正向電壓降后，導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫并由編制的軟件生成Vf-Tj曲綫。 圖1 精密內(nèi)控內(nèi)熱式油杯示意圖 圖2 階梯式加溫的溫控曲綫（4）照明LED結(jié)溫測量及利用Vf-Tj關(guān)係曲綫指導(dǎo)光、色、電參數(shù)的測量 得到被測量LED的Vf-Tj的曲綫后，最重要的是用於定結(jié)溫條件下的光、色、電參數(shù)測量。 把被測LED固定在帶控溫/恒溫基座的積分球內(nèi)，給LED通以工作電流，給LED燃點1520分

11、鐘后，快速切換到測量電流（即前面標(biāo)定Vf-Tj曲綫的測量電流）用數(shù)毫秒時間快速測定被測LED的正向電壓Vf，通過與Vf-Tj曲綫中結(jié)溫值對應(yīng)的Vf比較，如與目標(biāo)值有差異，控制程序?qū)⒆詣诱{(diào)整恒溫基座的溫度來使LED的正向電壓Vf達到目標(biāo)結(jié)溫值對應(yīng)的結(jié)電壓。在快速測定Vf后，裝置將自動回覆使LED通以工作電流的狀態(tài)。設(shè)定結(jié)溫值測量方法明顯的優(yōu)點 當(dāng)被測LED在通以工作電流的情況下，其結(jié)溫達到目標(biāo)值（即達到目標(biāo)結(jié)溫值對應(yīng)的Vf值）且熱平衡后，可啟動光譜儀測量光、色參數(shù)同時讀取其電參數(shù)。 上述測量方法最明顯的優(yōu)點是，在LED實際的應(yīng)用中，只要照明器具中LED工作在目標(biāo)結(jié)溫值附近，用這一方法參數(shù)有很好的

12、模擬性，也使得它的這些所測量的參數(shù)變得有意義，並且其光、色、電參數(shù)也具有很好的可重現(xiàn)性。二、 LED進入照明器具后結(jié)溫控制和測量1、 LED進入照明器具后結(jié)溫控制和測量的必要性按照美國DOE的LM80要求往往要花300天以上的時間（6000h），這在很多工程招標(biāo)和驗收時時無法實施的。結(jié)溫是判斷LED照明器具性能優(yōu)劣的核心要素 結(jié)溫作為衡量一個LED照明器具性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，是LED照明器具在工程應(yīng)用中可靠性測量的核心要素。如果能準(zhǔn)確測量出燈具內(nèi)LED的PN結(jié)結(jié)溫和PN結(jié)到散熱器某一指定點的熱阻這兩個定量的指標(biāo)，就不僅能衡量采用LED的燈具散熱特性的優(yōu)劣，還能定性地知道各種采用LED的同類燈具

13、的大致使用壽命。另外還能得知LED燈具的光效和其它光參數(shù)的測量值是在什麼結(jié)溫條件下測得的，并能得出燈具中功率型LED熱沉上的某一點（參考溫度點）與結(jié)溫之間的函數(shù)關(guān)係，從而指導(dǎo)企業(yè)正確標(biāo)出熱沉參考點的溫度限值。2、 照明器具內(nèi)LED結(jié)溫測量方法介紹目前國內(nèi)外對LED的PN結(jié)的結(jié)溫，只能進行單個LED或者單個LED模塊的結(jié)溫和熱阻的測量，還沒有完整的對照明器具內(nèi)LED實際工作結(jié)溫和熱阻的測量方法，這裡介紹一種完整的對照明器具內(nèi)的LED實際工作結(jié)溫和熱阻的測量方法。（1）Vf-Tj曲綫標(biāo)定 將照明器具內(nèi)LED矩陣中間的某一串聯(lián)LED組中處於或者接近中間部分的一顆LED作為被測LED,按圖3電路連接，

14、在這一顆LED的熱沉(LED自身所帶的小散熱器)上粘一個熱電偶，使燈具在25°C±2°C的環(huán)境下放置6至12小時。 測量電路連接圖 圖3 LED的燈具中LED矩陣某一串LED組的測量電路連接圖確定修正曲綫 給圖三中的被測LED通上一支測量電流If，If視被測LED的功率大小可在2Ma50mA範(fàn)圍內(nèi)選定。通電測量時間為0.01S2S，在此期間連續(xù)測量被測LED的正向電壓降Vf可得出如圖所示的修正曲綫。 從該曲綫上可得出該照明燈具內(nèi)被測LED在通過某一恒定的測量電流時，在單位的測量時間t內(nèi)Vf下降的數(shù)值Vf。該數(shù)值留作下述檢測過程作為測量電流引起的Vf變化的修正量。當(dāng)

15、測量時間小於3ms且測量電流比較小時，可以不引入修正量。Vf-Tj曲綫標(biāo)定 把三個2刀2擲轉(zhuǎn)換繼電器調(diào)到測量位置，把LED燈具放入一個可編程控制的專用加熱箱內(nèi)，設(shè)定階梯式加溫方式對箱體內(nèi)LED燈具進行加熱。根據(jù)LED熱沉上黏上的熱電偶反映的溫度值，且最終是以圖3電路測量被測LED的正向電壓降穩(wěn)定時，說明燈具內(nèi)LED已達到某一設(shè)定溫度的熱平衡。當(dāng)每一個恒溫時間段即將結(jié)束，開始測量被測LED的正向電壓降Vf。 根據(jù)實際測量的時間t，從圖4中得出修正是Vf。把測得的Vf值再加上Vf，得出D1在該溫度下不受測量電流影響的Vf1，即Vf1，即Vf1= Vf1+Vf，把這Vf1和用熱電偶測的溫度T1導(dǎo)入到

16、設(shè)定的電腦數(shù)據(jù)庫中。 重複這一步驟，得出一組經(jīng)修正的數(shù)值。把這一組經(jīng)修正的數(shù)值自動導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫，就能生成照明器具內(nèi)LED的Vf-Tj曲綫。照明器具中LED結(jié)溫的測量 把照明器具從專用的加熱箱內(nèi)取出，可以和照明器具的熱試驗同時進行。把器具放在GB7000.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防風(fēng)罩內(nèi)，照明器具處於正常工作位置。按GB7000.1標(biāo)準(zhǔn)中熱試驗的要求進行熱試驗，通過照明燈具內(nèi)的LED控制裝置把照明器具的LED矩陣點亮，此時LED照明器具處於正常工作狀態(tài)。 觀察LED熱沉上粘上的熱電偶反映的溫度值，當(dāng)溫度值達到熱平衡時，轉(zhuǎn)換到測量位置，連續(xù)5次，每次間隔數(shù)十秒測量出5個被測LED的Vf值，通過電腦和專用函數(shù)計

17、算軟件，計算出被測LED在斷開工作電流瞬間的正向電壓降，并根據(jù)上述正向電壓降與結(jié)溫的關(guān)係曲綫查出LED照明器具內(nèi)被測LED在燈具工作至熱平衡時的結(jié)溫，同時，也可以得到燈具連續(xù)工作至熱平衡時熱沉上參考點的溫度值。三、回顧和總結(jié)對LED結(jié)溫的測量和控制，是LED進入照明領(lǐng)域不可缺少的重要步驟，它使LED器件與LED照明器具前後工序有機地結(jié)合起來。通過對LED的Vf-Tj曲綫標(biāo)定，并利用這一曲綫能指導(dǎo)并控制LED在預(yù)定的結(jié)溫下測量光、色、電參數(shù)，使LED這些參數(shù)的測量值更接近與實際應(yīng)用狀態(tài)的參數(shù)，另外LED的預(yù)定結(jié)溫的確定也給LED照明器具設(shè)計者指明了散熱控制的限值。同樣通過對照明器具內(nèi)LED的Vf-Tj曲綫標(biāo)定，能測量出照明器具在定額的ta條件下的LED結(jié)溫，這不僅能評價LED器具散熱設(shè)計的合理性，而且還揭示出LED熱沉上參考點溫度與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)係，并進一步