采用Vf—TJ检测LED模块的光电参数

LED = Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光；LED = Large Electronic Display，大型电子展示；LED = Lupus erythematosus disseminatus，播散性红斑狼疮，一种慢性、特发性自身免疫病；led是lead的过去式和过去分词，意为“领导，带领”；俄罗斯Pulkovo机场的IATA代码。本词条主要介绍发光二极管。

本文介绍了通过Vf—TJ 曲线的标出并控制LED 在控定的结温下测量其光、色、电参数不仅对采用LED的照明器具的如何保证LED 工作结温提供了目标限位，同时也使LED 及其模块的光、色、电参数的测量参数更接近于实际的应用条件。文章还介绍了采用LED的照明器具如测量LED 的结温并确定LED 参考点的限值温度与结温的函数关系。这对快速评估采用LED 的照明器具的工作状态和使用寿命提供了一个有效的途径。

一、 序言

对于一个新兴的产品，其产品自身的发展总是先于产品标准和检测方法。虽然产品的标准和检测方法不可能先于产品的研发，但是，产品的标准和检测方法应尽可能地紧跟产品设计开发的进度，因为产品的标准和检测方法的制定过程本身就是对产品研发过程的回顾研讨和小结，只要条件基本成熟，产品标准和检测方法的制订越及时，就越能减少产品研发过程的盲目性。LED 照明产业发展到现在，我们对LED 照明产品标准和检测方法的回顾、小结的时候已经基本到来。

二、 LED模块的光电参数和检测方法的现状和改进方法

1、传统的LED模块的检测方法

目前传统的 LED 模块的检测方法主要有两种，第一种是采用脉冲测量的方法，它是把照明LED 模块固定在测量装置上（例如积分球的测量位置等），采用脉冲恒流电源与瞬时测量光谱仪的同步联动，即对LED 发出数十毫秒～数佰毫秒恒流的脉冲电流的同时，同步打开瞬时测量光谱仪器的快门，对LED 发出的光参数（光通量、光色参数等）进行快速检测，同时，也同步采集LED 的正向压降和功率等参数。

第二种检测方法是把LED模块安装在检测装置上后，可能带上一固定的散热器（也可能具有基座控温功能），给LED施加其声称的工作电流，受传统的照明光源检测方法的影响，也是等到LED达到热平衡后再开始测量它的光电参数。这种方法看似比较严密，但实际上，它的热平衡条件和工作条件与此类LED装入最终的照明器具中的状态仍没有好的关联性，因此所测的光电参数与今后实际的应用状态的参数仍不具有可参比性。

2、LED 模块测量方法的改进

众所周知，LED 的光、电参数特性与它的工作时的结温密切相关，同一个LED 产品，结温的不会造成这些参数的明显不同，这也造成了同一个LED 光、色、电参数测量结果的明显不一致性，所以测量LED 的光电参数首先应考虑在设定的工作结温的条件下来进行。例如，目前我们大量采用的LED 封装方法和技术，在LED 的发光面前，都具有高分子硅胶加荧光粉的覆盖层。

（1）目前LED 的结温测量方法大概有

1)、通过测量管脚温度和芯片耗散功率和热阻系数求得结温。但是因为耗散功率和热阻系数的不准确，所以测量精度比较低。

2)、红外热成像法，利用红外非接触温度仪直接测量LED 芯片的温度，但要求被测器件处于未封装的状态，另外对LED 封装材料折射率有特殊要求，否则无法准确测量，测量精度比较低。

3)、利用发光光谱峰位移测定结温，也是一种非接触的测量方法，直接从发光光谱确定禁带宽度移动技术来测量结温，这一方法对光谱测试仪器分辨精度要求较高，发光峰位的精度测定难度较大，而光谱峰位移1 纳米的误差变化就对应着测量结温约30 度的变化，所以测量精度和重复性都比较低。

4)、向列型液晶热成像技术，对仪器分辨率要求高，只能测量未封装的单个裸芯片，不能测量封装后的LED。

5)、利用二极管 PN 结电压与结温的Vf－TJ 关系曲线，来测量LED 的结温。

从上述介绍的各种 LED 结温的测量方法可看出，采用监视二极管PN 结电压的变化来推算结温的方法最具有可行性并且测量精度也最高，所以在很多集成IC 电路中，为了检测IC 芯片的工作结温，往往会刻出或值入1 个或几个二极管，通过测量其正向电压降的变化来达到测量芯片结温的目的。

（2）目前国际上较先进的Vf—TJ 测量方法

目前国际上先进的 Vf—TJ 测量方法是把被测的LED 连上引出线放入在硅油缸内，随后加热硅油缸使硅油的温度达到140℃左右，随后让缸内硅油自然冷却，只要冷却时硅油温度下降的速度足够慢，就可以认为LED 的结温与LED 的热沉的温度是基本一致的，在此过程中，根据所测的硅油温度，每下降2℃～10℃时瞬时给LED 输入规定的电流脉冲，并测量其在这一温度下的正向电压降，把这一测量点的温度和正向电压降导入到电脑软件的数据库，从140℃左右开始，随温度的下降，每下降一个设定的等分温度测量一次热沉温度和正向电压降，一直测量到25℃左右，当完成这一组测量数据并导入到电脑软件的数据库后，由软件产生一个Vf—TJ 曲线。这一方法属于在温度下降时测量方法，对于测量来说是可行的。

（3）新的Vf—TJ 检测方法

本机构发明的检测方法是采用温度上升时的测量方法，采用电脑设定的PID（积分、微分加上加热与不加热时间比例控制）方法来加热和控制硅油缸的温度，即在硅油缸加热的起始段，加热时间与不加热时间的比例是很小的，并且可调，使硅油缸温度上升速率能保证LED 结温、热沉与硅油温度的一致性，随着硅油温度的逐步上升，与室温的温差也随之加大，此时PID 加热和控温系统会自动加大加热时间与不加热时间的比例。

在每次升温阶段后，具有一个衡温控制阶段，即升温阶段和衡温阶段形成了阶梯式控温曲线。本测量装置因为硅油温度上升的速率几乎一致，并且实行阶梯式升温和控温，从而能保证在合理的温度上升速率的条件下得到准确的检测结果，并且检测时间（从25℃到140℃约为2.5 个小时左右）能明显低于目前国际上已有的检测装置的测量时间。

（4）照明LED 结温测量及利用Vf—TJ 关系曲线指导光、色、电参数的测量

得到被测 LED 的Vf—TJ 的曲线后，最重要的是用于定结温条件下的光、色、电参数测量。检测系统见图1。把被测LED 固定到带控温/恒温基座的积分球内，给LED 通以工作电流，给LED 燃点15～20 分钟基本达到稳定后，快速切换到测量电流（即前面标定Vf—TJ 曲线的测量电流）用数毫秒时间快速测定被测LED的正向电压Vf，通过与Vf—TJ 曲线中设定结温值对应的Vf 比较。当被测LED 在通过工作电流的情况下，其结温达到目标值（即达到目标结温值对应的Vf 值）且热平衡后，系统将自动启动光谱仪测量光、色参数同时读取其电参数。

三、 LED 进入照明器具后结温的测量

1、LED 进入照明器具后结温控制和测量的必要性

LED 应用到照明器具中时，人们普遍希望具有几万小时的使用寿命，但是要测量采用LED 的照明器具的光衰减和寿命，按照美国DOE 的LM80 要求往往要化300 天以上的时间（6000h），这在很多工程招标和验收时是无法实施的。

结温作为衡量一个 LED 照明器具性能优劣的重要参数，是LED 照明器具在工程应用中可靠性测量的核心要素。如果能准确测量出灯具内LED 的PN 结结温和PN 结到散热器某一指定点的热阻这两个定量的指标，就不仅能衡量采用LED 的照明器具散热特性的优劣，还能定性地知道各种采用LED 的同类照明器具的大致使用寿命。

2、测量方法介绍

目前国内外对 LED 的PN 结的结温，只能进行单个LED 或者单个LED 摸块的结温和热阻的测量，还没有完整的对照明器具内LED 实际工作结温和热阻的测量方法，下面介绍一种完整的对照明器具内LED 实际工作结温和热阻的测量方法。

1)、Vf－TJ 曲线标定

（1）将照明器具内LED 矩阵中间的某一串联LED 组中处于或者接近中间部位的一颗LED 作为被测LED，按图2 电路连接，在这一颗LED 的热沉（LED 自身所带的小散热器）上粘上一个热电偶。通电测量时间为0.005S～2S，在此期间连续测量被测LED 的正向电压降Vf 可得出如图3 所示曲线。从该曲线上可得出该照明器具内被测LED 在通过某一恒定的测量电流时，在单位的测量时间Δt 内Vf 下降的数值ΔVf。

图2     LED 的灯具中LED 矩阵某一串LED 组的测量电路连接图

图3     在单位的测量时间内通过测量电流时，被测LED 的Vf 下降的数值ΔVf和测量时间Δt 的关系曲线

（2）把三个2 刀2 掷转换继电器调到测量位置，把LED 灯具放入一个可编程控制的专用加热箱内，该加热箱采用PID 编程方式，设定阶梯式加温方式对箱体内LED 灯具进行加热。阶梯式加温的控温曲线见图4。图4 中每一阶梯分为恒温时间段和升温时间段，这两个时间段可分别设定，设定范围为1 分钟～30 分钟中的任一值。根据LED 的热沉上粘上的热电偶反映的温度值，并且最终是以图2 电路测量被测LED 的正向电压降稳定时，说明灯具内LED 已达到某一设定点温度的热平衡。

图 4 加热箱阶梯式加温的控温曲线

2)、照明器具中LED 热阻的测量

把上述在加热箱内已完成 Vf－TJ 关系曲线标定的照明器具取出冷却后，按如下步骤进行LED 热阻的测量。

（1） 把该照明器具放入到GB 7000.1 标准附录D 规定的防风罩内，按正常的热试验位置布置好灯具，除了原来已经粘接在被测LED D1 上的热电隅外，还可根据检测委托方要求，在灯具内LED 的散热器的某些指定点甚至灯具外壳上某些点上粘接热电隅，（可以是单个或多个热电隅）。把每一热电隅连接到测温仪上，使照明器具在25℃±1℃条件下放置8 小时。

（2） 根据照明器具内LED 控制装置输出给D1 的实测工作电流值，设定测试恒流电源，按图2 电路给D1 通上一个实测工作电流，加热1 分钟～30 分钟，其间每隔1 分钟用原来标定的测量电流对D1 进行一次Vf 的测量，并按Vf－TJ 曲线查出对应的结温值，同时监视热电隅的测量温度，把测量的结温值和监视热电隅的测量温度值自动导入数据库。把VfR 值通过Vf－TJ 曲线，得到该D1 即时的结温值TfR。按热阻RAB＝（TfR－TB）/P 公式计算出D1 的PN 结到热沉或散热器甚至外壳的热阻值。

3)、照明器具中LED 结温的测量

把 LED 照明器具从专用加热箱内取出，本条试验可以和照明器具的热试验同时进行。把采用LED 的照明器具仍放在GB 7000.1 标准的附录D 规定的防风罩内，照明器具处于正常工作位置。计算出被测LED 在断开工作电流瞬间的正向电压降，并根据上述正向电压降与结温的关系曲线查出LED 照明器具中被测LED 在连续工作至热平衡时的结温值，同时，也可以得到灯具连续工作至热平衡时热沉上参考点的温度值。

四、回顾和总结

对LED 结温的测量和控制，是LED 进入照明领域不可缺少的重要步骤，它使LED 器件与LED 照明器具前后工序有机地结合起来。通过对某一型号LED的Vf—TJ 曲线标定，并利用这一曲线能指导并控制LED 在预定的结温下测量光、色、电参数，使LED 这些参数的测量值更接近于实际应用状态的参数，进一步得知LED 的PN 结到照明器具上某一点的热阻，从而指导LED 照明器具的生产企业能正确地标明参考点温度的限值，并能在批量生产中，方便地通过测量参考点的温度而基本得知LED 的工作结温。

LED 照明灯具在正常工作时，其散热特性的好坏直接关系到光效，光衰和使用寿命，对应的指标是LED 工作时的PN 结结温及散热的热阻，如果这两个指标做好了，就说明该灯具在效率和使用寿命方面是有保证的，就如对人体的检查，如果验血的指标、彩色CT 的检查及血液造影结果都是好的话，这个人身体一定是健康的。本检验方法的意义就在于，建立了LED 照明灯具“验血和彩色CT 的检查及血液造影仪”及其方法。可以预见，这一方法的确立将是指导 LED 照明器具改进设计、制造环节，使LED 照明器具设计和生产技术走向更高层次的有力推手。