LED热特性和寿命检测

　　1 概述

　　LED的热学特性主要包括LED结温、热阻、瞬态变化曲线(加热曲线、冷却曲线)等。结温是指LED的PN结温度，热阻是指LED散热通道上的温度差与该通道上的耗散功率之比，用于表征LED的散热能力，研究表明，LED的热阻越低其散热性能越好，相应的LED光效一般也越高，寿命越长。检测热学特性的关键在于对LED结温的准确测量，现有的对LED结温的测试一般有两种方法：一种是采用红外测温法测得LED芯片表面的温度并视其为LED的结温，但是准确度不够;另一种是通过温度敏感参数(temperature-sensitive parameter，简写为TSP)获取PN结温，这是目前较普遍的LED结温测试方法，其技术难点在于对测试设备要求较高。

　　LED的寿命主要表现为它的光衰，通常把LED光输出衰减到初始光输出的70%或50%作为判断寿命失效的指标，即光通量维持寿命。但由于LED是高可靠性器件，寿命一般都会超过几千小时甚至是一万多小时，直接测量等待光衰到指定值的做法在工业上的应用十分困难。

　　2 LED热学特性测试

　　2.1 LED结温和热阻的测量

　　美国EIA/JESD51 《Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages 》系列标准和国家标准SJ20788-2000 《半导体二极管热阻抗测试方法》、GB/T4023-1997《半导体器件分立器件和集成电流 第2部分：整流二极管》、QB/T 4057-2010《普通照明用发光二极管 性能要求》等国际国内标准都较为详细地介绍了通过温度敏感参数TSP测量结温和热阻的方法。对于LED，TSP为PN结两端的正向电压。在确定电流下，LED的正向偏压与结温之间近似成反比关系，由此可得到结温的变化为：

　　

 

　　式(1)中K为温度敏感系数，由下式可到：

　　

 

　　式(2)中，VL为低结温TL(如25℃)时LED在测量电流IM(小电流)下的正向电压，VH为高结温TH(如100℃)时LED在测量电流IM下的正向电压。

　　LED结温测量的时序如图1所示：

　　

 

　　图1(a) 电流时序图 图1(b)电压时序图

　　1)首先对LED正向施加测试电流IM，测量正向结电压VFI;

　　2)用加热电流IH取代IM加到待测LED两端，加热一定时间(tH)待LED达到稳定状态，测量所测LED散热通道上的热耗散功率(PH);

　　3) 再用IM迅速取代IH加到待测LED两端，并测得正向结压降(VFF);

　　4) 计算LED的结温和热阻：

　　根据上述原理，结温计算公式为：

　　

 

　　热阻计算公式为：

　　

 

　　式(3)中， 为初始温度，式(4)中 为散热通道上指定点的温度，例如，环境温度或外壳温度。对于LED，输入的电功率一部分用于LED发光，另一部分产生热量，而热耗散功率PH往往很难从总输入电功率中区分出来，因此为方便和简化测量，QB/T 4057-2010提出了“参考热阻”的概念，即使用输入总功率替代式(4)中的热耗散功率。 “参考热阻”由于测量方便，复现性好，得到了越来越多的应用。

　　在加热电流IH 作用下，监视LED的结温上升过程，获取加热曲线也很有意义，图2所示为典型的加热曲线，它不仅能够判断LED是否达到热平衡，而且对于LED的结构和散热能力分析有具有参考作用。

　　

 

　　图2加热曲线

　　获取加热曲线的技术难点在于测试电流与加热电流切换时间必须要足够短，并且瞬态数据的采集必须非常迅速。切换时间和数据采集时间一般要达到几到十几微秒，否则不能反映出LED结温的实际变化过程，导致最终测试出的热阻被大幅低估。

　　2.2 LED光色参数随温度变化曲线的测量

　　封装LED的光色参数一般是在PN结为25±1℃的条件下给出的，而在实际工作中，结温通常高于25℃，其光色性能会发生较大变化，这也给封装LED的应用带来困扰。因此，有必要监测LED的光色参数随结温变化的情况，如图3所示。光色参数随PN结温度变化曲线的测量与K系数的测量方法类似。

　　

 

　　图3白光LED的光通量和色温随结温的变化关系[1]

　　而考察环境温度(参考点温度)对LED的光色参数的影响则更为直观，对LED的应用更具指导意义。该测量可在下述的加速老练和寿命试验箱中进行。

　　3 LED寿命测试

　　3.1 LED的加速老练和寿命测试

　　与传统照明产品不同，LED产品的寿命终了主要表现为光衰到一定程度，如衰减到50%或70%流明维持率，即L50或L70。现有的国际标准或国家标准中除了对寿命时间提出要求外，一般还要求燃点3000h时光通维持率应不低于92%，在燃点6000h时其光通维持率应不低于88%;也有标准根据6000h时的光通维持率对LED进行等级分类。美国标准LM-80-08主要针对封装LED及LED模块的光通维持寿命测量，它提出了在三个外壳温度下测量LED的光通维持率，分别为：85ºC ，55ºC 和制造商选择的温度，在高温下老练LED，主要是为了模拟被测LED的实际工作环境。老练测试时间为6000小时，可根据测试的数据进行外推计算获取LED的寿命时间。如图4所示为寿命推算曲线：

　　

 

　　图4 LM-80寿命推算曲线

　　LED的寿命很长，额定条件下的老练寿命测试极为耗时。除了上述的根据初期光通维持率变化外推出L50或L70寿命时间的外推法之外，还可以使用加速老练寿命试验的解决方案，即在不改变LED失效机理的前提下，加大应力条件来加快LED的衰减速度，从而减少寿命试验的时间[2-3]。目前加速寿命试验可分为增大测试电流和提高环境温度两种加速方法，以电流加速试验为主。加速老练获取的寿命值可根据阿仑尼斯(Arrhenius)模型计算出额定条件下LED的期望寿命。

　　4 检测设备概述

　　4.1 热特性检测设备和热光电综合测试系统

　　根据上述2.1节所讨论的热特性检测方法，其技术难点在于对测试设备性能要求很高：电流切换和采样速率必须足够快、电压测量精度要高且LED的外部温度必须能稳定控制。国际上匈牙利的T3Ster LED热阻测试系统和美国的Phase11热阻分析仪能基本满足要求，但这两款仪器的价格昂贵，给工业检测带来经济障碍。中国远方公司在对相关标准的深入研究基础上，根据LED的特点，开发出满足上述技术要求的检测设备HEO-200热电测试系统，价格较国外设备大幅降低。

　　HEO-200采用MOS(Metal Oxide Semiconductor)技术来实现电流的切换，切换时间小于10μs，能有效避免结温冷却带来的试验误差。在对瞬态数据的采集中，采用循环测试法，即在2.1节所述步骤2)中，通过在极短时间内断开加热电流情况下快速采集数据以得到瞬态变化数据，并配以1MHz/s的采样速度，采集瞬态数据的精度高达1μs，保证了分析结果的准确性。

　　系统实物如图5所示，包括测试主机、静态空气试验箱以及专业测量分析软件等，在系统工作中，为保证测量结果的准确性，系统采用内置的恒流源给LED提供电压，确保LED发光稳定。该套系统可以实现结温、热阻(瞬态热阻、稳态热阻)、加热曲线和冷却曲线的准确测量。

　　

 

　　图5 LED热特性检测设备

　　为实现LED的光色参数随结温变化曲线的测量以及不计发光功率的热阻测量，在上述系统基础上，配置具有同步触发功能的高精度快速光谱仪和积分球来实现光色参数的测量。

　　4.2 加速老练和寿命检测系统

　　对于加速老练和寿命的测试，无论采用何种寿命推算模型或何种寿命等级划分方式，其硬件测量装置基本相同，一般主要包括恒温试验箱、老练测试主机、多路温度巡检仪、光度计以及专业测控软件。在测试过程中，恒温试验箱能控制LED的环境温度到达指定温度值，老练测试主机用于给被测LED供电及完成各LED电参数的测量，多路温度巡检仪用于测量每颗LED的温度，光度计用于测量LED的光度参数，上述三者将测试的结果反馈到系统软件，软件分析推算得到被测LED的寿命。其实物装置如图6所示。

　　

 

　　图6 加速老练和寿命检测系统

　　图7为典型的LED老练寿命曲线

　　

 

　　图7 LED老练寿命曲线

　　根据上述测量装置，在不同的恒温箱的条件下，测量出被测LED的光度，就可以得到LED光度-环境温度--时间变化曲线(温度特性试验)，如配置光谱仪设备，就可以得到被试LED色度-环境温度-时间变化曲线(温度特性试验)。图8为典型的LED 相对光通量随环境温度的变化曲线。

　　

 

　　图8 LED光通量随环境温度变化曲线

　　5. 小结

　　由于直接测量存在困难，对LED的热学特性和寿命的评价具有挑战。然而这两大性能的精确检测确是评价当前LED水平的重要依据。我国已经对这两大重要性能的测试做了较为深入的研究，并自主开发了相关测试设备，能够满足目前国内外各项标准的要求，使我国工业界能够进行高精度、低成本的热特性和寿命性能检测。