文章介紹了通過Vf-TJ 曲線的標出并控制LED 在控定的結(jié)溫下測量其光、色、電參數(shù)不僅對采用LED的照明器具的如何保證LED 工作結(jié)溫提供了目標限位，同時也使LED 及其模塊的光、色、電參數(shù)的測量參數(shù)更接近于實際的應用條件。文章還介紹了采用LED的照明器具如測量LED 的結(jié)溫并確定LED 參考點的限值溫度與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系。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
對于一個新興的產(chǎn)品，其產(chǎn)品自身的發(fā)展總是先于產(chǎn)品標準和檢測方法。雖然產(chǎn)品的標準和檢測方法不可能先于產(chǎn)品的研發(fā)，但是，產(chǎn)品的標準和檢測方法應盡可能地緊跟產(chǎn)品設計開發(fā)的進度，因為產(chǎn)品的標準和檢測方法的制定過程本身就是對產(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)品標準和檢測方法的制訂越及時，就越能減少產(chǎn)品研發(fā)過程的盲目性。LED 照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，我們對LED 照明產(chǎn)品標準和檢測方法的回顧、小結(jié)的時候已經(jīng)基本到來。
二、 LED 模塊的光電參數(shù)和檢測方法的現(xiàn)狀和改進方法
1、傳統(tǒng)的LED 模塊的檢測方法
目前傳統(tǒng)的 LED 模塊的檢測方法主要有兩種，第一種是采用脈沖測量的方法，它是把照明LED 模塊固定在測量裝置上(例如積分球的測量位置等)，采用脈沖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)十毫秒～數(shù)佰毫秒恒流的脈沖電流的同時，同步打開瞬時測量光譜儀器的快門，對LED 發(fā)出的光參數(shù)(光通量、光色參數(shù)等)進行快速檢測，同時，也同步采集LED 的正向壓降和功率等參數(shù)。由于這種方式在檢測過程中，LED 的結(jié)溫幾乎等同于室溫，所以，測量結(jié)果的光效高，光色和電參數(shù)與實際使用情況有明顯差異，這一般都是LED 芯片(器件)生產(chǎn)商采用的快速檢測方法，而與LED 實際應用在最終照明器具中的狀態(tài)不具有可參比性。
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(也可能具有基座控溫功能)，給LED施加其聲稱的工作電流，受傳統(tǒng)的照明光源檢測方法的影響，也是等到LED達到熱平衡后再開始測量它的光電參數(shù)。這種方法看似比較嚴密，但實際上，它的熱平衡條件和工作條件與此類LED裝入最終的照明器具中的狀態(tài)仍沒有好的關(guān)聯(lián)性，因此所測的光電參數(shù)與今后實際的應用狀態(tài)的參數(shù)仍不具有可參比性。已經(jīng)頒布的GB/T24824-2009/CIE 127-2007NEQ《普通照明用LED模塊的基本性能的測量方法》標準中，在這方面是這樣規(guī)定的：’試驗或測量時LED模塊應工作在熱平衡狀態(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，以保證試驗的可復現(xiàn)性。如可能監(jiān)測LED模塊結(jié)電壓，則應首選監(jiān)測結(jié)電壓。否則，應監(jiān)測LED模塊指定溫度測量點的溫度’。可見在監(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，標準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
眾所周知，LED 的光、電參數(shù)特性與它的工作時的結(jié)溫密切相關(guān)，同一個LED 產(chǎn)品，結(jié)溫的不會造成這些參數(shù)的明顯不同，這也造成了同一個LED 光、色、電參數(shù)測量結(jié)果的明顯不一致性，所以測量LED 的光電參數(shù)首先應考慮在設定的工作結(jié)溫的條件下來進行。另外，LED 因為封裝的工藝、材料等差異，其聲稱的最高工作結(jié)溫是明顯不同的，為了保證LED 照明產(chǎn)品具有高效、長壽的特點，LED 實際的工作結(jié)溫應明顯低于最高工作結(jié)溫。例如，目前我們大量采用的LED 封裝方法和技術(shù)，在LED 的發(fā)光面前，都具有高分子硅膠加熒光粉的覆蓋層。實踐證明，要使此類LED 照明器具，到70%的光通維持率的時間要≥6 萬小時，其工作結(jié)溫必須保持在70℃～75℃以下。從提高光效和使用壽命的角度來講，LED 的工作結(jié)溫能保持在60℃以下更好，但從照明器具的造型、體積、性價比來講，則應該控制在能達到預期的光效和使用壽命的基礎(chǔ)上把LED的最高工作結(jié)溫控制在70℃～75℃最為合適。為了使LED 及其模塊的光、色、電參數(shù)的檢測也盡可能接近于實際應用的結(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)溫測量方法大概有
1)通過測量管腳溫度和芯片耗散功率和熱阻系數(shù)求得結(jié)溫。但是因為耗散功率和熱阻系數(shù)的不準確，所以測量精度比較低。
2)紅外熱成像法，利用紅外非接觸溫度儀直接測量LED 芯片的溫度，但要求被測器件處于未封裝的狀態(tài)，另外對LED 封裝材料折射率有特殊要求，否則無法準確測量，測量精度比較低。
3)利用發(fā)光光譜峰位移測定結(jié)溫，也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)光峰位的精度測定難度較大，而光譜峰位移1 納米的誤差變化就對應著測量結(jié)溫約30 度的變化，所以測量精度和重復性都比較低。
4)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。
5)利用二極管 PN 結(jié)電壓與結(jié)溫的Vf-TJ 關(guān)系曲線，來測量LED 的結(jié)溫。
從上述介紹的各種 LED 結(jié)溫的測量方法可看出，采用監(jiān)視二極管PN 結(jié)電壓的變化來推算結(jié)溫的方法最具有可行性并且測量精度也最高，所以在很多集成IC 電路中，為了檢測IC 芯片的工作結(jié)溫，往往會刻出或值入1 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
目前國際上先進的 Vf-TJ 測量方法是把被測的LED 連上引出線放入在硅油缸內(nèi)，隨后加熱硅油缸使硅油的溫度達到140℃左右，隨后讓缸內(nèi)硅油自然冷卻，只要冷卻時硅油溫度下降的速度足夠慢，就可以認為LED 的結(jié)溫與LED 的熱沉的溫度是基本一致的，在此過程中，根據(jù)所測的硅油溫度，每下降2℃～10℃時瞬時給LED 輸入規(guī)定的電流脈沖，并測量其在這一溫度下的正向電壓降，把這一測量點的溫度和正向電壓降導入到電腦軟件的數(shù)據(jù)庫，從140℃左右開始，隨溫度的下降，每下降一個設定的等分溫度測量一次熱沉溫度和正向電壓降，一直測量到25℃左右，當完成這一組測量數(shù)據(jù)并導入到電腦軟件的數(shù)據(jù)庫后，由軟件產(chǎn)生一個Vf-TJ 曲線。這一方法屬于在溫度下降時測量方法，對于測量來說是可行的，但是因為試驗室的環(huán)境溫度是衡定的(一般為25℃)，而硅油缸的油溫是從高到低下降的，這就造成當硅油缸的油溫較高時，因為與試驗室環(huán)境溫度的溫差大而使冷卻速度較快，為了保證測量的準確性采用了適當?shù)拇胧┦构栌透自跍囟容^高時溫度下降不致于太快，但當硅油缸溫度較低時，因為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。因為上述原因，這一溫度下降時的測量方法在標定Vf-TJ 過程是不可能短的，(大約需4～5 小時)，否則將產(chǎn)生明顯的測量誤差。另外，這種檢測裝置油缸是固定的，要測量第二組，時間很慢。還有上述加熱裝置是在硅油缸外面的底部，加熱與控溫以及測量的溫度都存在明顯的滯后，這也造成這一方法測量結(jié)溫的準確性比較差。
(3)新的Vf-TJ 檢測方法
本機構(gòu)發(fā)明的檢測方法是采用溫度上升時的測量方法，采用電腦設定的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，即在硅油缸加熱的起始段，加熱時間與不加熱時間的比例是很小的，并且可調(diào)，使硅油缸溫度上升速率能保證LED 結(jié)溫、熱沉與硅油溫度的一致性，隨著硅油溫度的逐步上升，與室溫的溫差也隨之加大，此時PID 加熱和控溫系統(tǒng)會自動加大加熱時間與不加熱時間的比例，(實際加大了單位時間內(nèi)的加熱功率)所以能保證硅油缸內(nèi)硅油的溫度上升速率始終保持在設定的速率上，不會因為硅油溫度與環(huán)境溫度的差異不同而發(fā)生油溫上升的速率不同?？梢栽O定讓硅油衡溫在應用溫度范圍的任一溫度值上，也可以實現(xiàn)0.1℃/分鐘～2℃/分鐘的升溫速率。
在每次升溫階段后，具有一個衡溫控制階段，即升溫階段和衡溫階段形成了階梯式控溫曲線。隨著溫度階梯式上升，測量正向電壓可以設定成每上升0.5℃測量一次，并且可以以0.5℃的間隔，可逐步調(diào)整到每上升10℃測量一次。為了保證控溫以及測量的溫度的及時性，采用內(nèi)置式加熱，另外又為了保證硅油缸內(nèi)油溫的一致性，在油缸底部加有一個磁性感應的攪拌條，利用外部電機轉(zhuǎn)動并通過磁感應帶動這一攪拌磁條在油缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，這一轉(zhuǎn)動速度可調(diào)，從而保證了油缸內(nèi)的硅油溫差保持在0.2℃范圍內(nèi)。本測量裝置因為硅油溫度上升的速率幾乎一致，并且實行階梯式升溫和控溫，從而能保證在合理的溫度上升速率的條件下得到準確的檢測結(jié)果，并且檢測時間(從25℃到140℃約為2.5 個小時左右)能明顯低于目前國際上已有的檢測裝置的測量時間。目前國際上已有的檢測裝置是單硅油缸結(jié)構(gòu)，本測量裝置采用雙硅油缸結(jié)構(gòu)，當完成一組樣品的測量后，更換一個硅油缸可立刻開始第二組LED 的檢測。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，導入到數(shù)據(jù)庫并由編制的軟件生成Vf-TJ 曲線。