LED热特性和寿命的检测技术

　　摘要：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。

　　关键词：LED、热阻、结温、加速老炼、寿命

　　1 概述

　　近年来，LED照明技术快速发展，在LED的光效、色温、显色性等光色指标备受关注的同时，LED的热学特性和寿命也越来越受到人们的重视，特别是热学特性，对LED光色电的性能和寿命有着显著的影响。然而，对热学特性和寿命的检测具有挑战性。

　　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：

　　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：

　　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：

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