LED热特性和寿命的检测技术

LED热特性和寿命的检测技术
2012-3-6 17:05:16 中国半导体照明网张维李倩潘建根行业分类:其它浏览

　　热学特性和寿命是LED的两大重要性能，受到人们的高度重视，且二者之间存在关联。然而，对这两大性能参数的检测却具有挑战性。本文根据国内外相关标准的要求和最新研究，综合分析了LED热特性参数和寿命指标的检测要求和方法，同时介绍了国内外的先进检测设备及特点。

LED结温测量的时序如图1所示：

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：

　　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。

　　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。

　　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：

　　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。

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