1 概述
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;另一種是通過溫度敏感參數(shù)(temperature-sensitive parameter，簡(jiǎn)寫為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)超過幾千小時(shí)甚至是一萬多小時(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。
2 LED熱學(xué)特性測(cè)試
2.1 LED結(jié)溫和熱阻的測(cè)量
美國(guó)EIA/JESD51 《Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages 》系列標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)SJ20788-2000 《半導(dǎo)體二極管熱阻抗測(cè)試方法》、GB/T4023-1997《半導(dǎo)體器件分立器件和集成電流 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：
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式(1)中K為溫度敏感系數(shù)，由下式可到：
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式(2)中，VL為低結(jié)溫TL(如25℃)時(shí)LED在測(cè)量電流IM(小電流)下的正向電壓，VH為高結(jié)溫TH(如100℃)時(shí)LED在測(cè)量電流IM下的正向電壓。
LED結(jié)溫測(cè)量的時(shí)序如圖1所示：
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圖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IM，測(cè)量正向結(jié)電壓VFI;
2)用加熱電流IH取代IM加到待測(cè)LED兩端，加熱一定時(shí)間(tH)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(PH);
3) 再用IM迅速取代IH加到待測(cè)LED兩端，并測(cè)得正向結(jié)壓降(VFF);
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：
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熱阻計(jì)算公式為：
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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PH往往很難從總輸入電功率中區(qū)分出來，因此為方便和簡(jiǎn)化測(cè)量，QB/T 4057-2010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，得到了越來越多的應(yīng)用。
在加熱電流IH 作用下，監(jiān)視LED的結(jié)溫上升過程，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。
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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)際變化過程，導(dǎo)致最終測(cè)試出的熱阻被大幅低估。
2.2 LED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。
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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。
3 LED壽命測(cè)試
3.1 LED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)算獲取LED的壽命時(shí)間。如圖4所示為壽命推算曲線：
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圖4 LM-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)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)來實(shí)現(xiàn)電流的切換，切換時(shí)間小于10μs，能有效避免結(jié)溫冷卻帶來的試驗(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，即在2.1節(jié)所述步驟2)中，通過在極短時(shí)間內(nèi)斷開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)1μs，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。
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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)功能的高精度快速光譜儀和積分球來實(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。
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圖6 加速老練和壽命檢測(cè)系統(tǒng)
圖7為典型的LED老練壽命曲線
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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。
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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)。