1 概述

近年來，LED照明技術快速發(fā)展，在LED的光效、色溫、顯色性等光色指標備受關注的同時，LED的熱學特性和壽命也越來越受到人們的重視，特別是熱學特性，對LED光色電的性能和壽命有著顯著的影響。然而，對熱學特性和壽命的檢測具有挑戰(zhàn)性。

LED的熱學特性主要包括LED結溫、熱阻、瞬態(tài)變化曲線（加熱曲線、冷卻曲線）等。結溫是指LED的PN結溫度，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，相應的LED光效一般也越高，壽命越長。檢測熱學特性的關鍵在于對LED結溫的準確測量，現(xiàn)有的對LED結溫的測試一般有兩種方法：一種是采用紅外測溫法測得LED芯片表面的溫度并視其為LED的結溫，但是準確度不夠；另一種是通過溫度敏感參數(shù)（temperature-sensitive parameter，簡寫為TSP）獲取PN結溫，這是目前較普遍的LED結溫測試方法，其技術難點在于對測試設備要求較高。

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，即光通量維持壽命。但由于LED是高可靠性器件，壽命一般都會超過幾千小時甚至是一萬多小時，直接測量等待光衰到指定值的做法在工業(yè)上的應用十分困難。

2 LED熱學特性測試

2.1 LED結溫和熱阻的測量

美國EIA/JESD51 《Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages 》系列標準和國家標準SJ20788-2000 《半導體二極管熱阻抗測試方法》、GB/T4023-1997《半導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》等國際國內標準都較為詳細地介紹了通過溫度敏感參數(shù)TSP測量結溫和熱阻的方法。對于LED，TSP為PN結兩端的正向電壓。在確定電流下，LED的正向偏壓與結溫之間近似成反比關系，由此可得到結溫的變化為：

1）首先對LED正向施加測試電流IM，測量正向結電壓VFI；

2）用加熱電流IH取代IM加到待測LED兩端，加熱一定時間（tH）待LED達到穩(wěn)定狀態(tài)，測量所測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LED兩端，并測得正向結壓降（VFF）；

4） 計算LED的結溫和熱阻：

獲取加熱曲線的技術難點在于測試電流與加熱電流切換時間必須要足夠短，并且瞬態(tài)數(shù)據(jù)的采集必須非常迅速。切換時間和數(shù)據(jù)采集時間一般要達到幾到十幾微秒，否則不能反映出LED結溫的實際變化過程，導致最終測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量

封裝LED的光色參數(shù)一般是在PN結為25±1℃的條件下給出的，而在實際工作中，結溫通常高于25℃，其光色性能會發(fā)生較大變化，這也給封裝LED的應用帶來困擾。因此，有必要監(jiān)測LED的光色參數(shù)隨結溫變化的情況，如圖3所示。光色參數(shù)隨PN結溫度變化曲線的測量與K系數(shù)的測量方法類似。

而考察環(huán)境溫度（參考點溫度）對LED的光色參數(shù)的影響則更為直觀，對LED的應用更具指導意義。該測量可在下述的加速老練和壽命試驗箱中進行。

3 LED壽命測試

3.1 LED的加速老練和壽命測試

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)有的國際標準或國家標準中除了對壽命時間提出要求外，一般還要求燃點3000h時光通維持率應不低于92%，在燃點6000h時其光通維持率應不低于88%；也有標準根據(jù)6000h時的光通維持率對LED進行等級分類。美國標準LM-80-08主要針對封裝LED及LED模塊的光通維持壽命測量，它提出了在三個外殼溫度下測量LED的光通維持率，分別為：85?C ，55?C 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LED的實際工作環(huán)境。老練測試時間為6000小時，可根據(jù)測試的數(shù)據(jù)進行外推計算獲取LED的壽命時間。如圖4所示為壽命推算曲線：

LED的壽命很長，額定條件下的老練壽命測試極為耗時。除了上述的根據(jù)初期光通維持率變化外推出L50或L70壽命時間的外推法之外，還可以使用加速老練壽命試驗的解決方案，即在不改變LED失效機理的前提下，加大應力條件來加快LED的衰減速度，從而減少壽命試驗的時間[2-3]。目前加速壽命試驗可分為增大測試電流和提高環(huán)境溫度兩種加速方法，以電流加速試驗為主。加速老練獲取的壽命值可根據(jù)阿侖尼斯（Arrhenius）模型計算出額定條件下LED的期望壽命。

4 檢測設備概述

4.1 熱特性檢測設備和熱光電綜合測試系統(tǒng)

根據(jù)上述2.1節(jié)所討論的熱特性檢測方法，其技術難點在于對測試設備性能要求很高：電流切換和采樣速率必須足夠快、電壓測量精度要高且LED的外部溫度必須能穩(wěn)定控制。國際上匈牙利的T3Ster LED熱阻測試系統(tǒng)和美國的Phase11熱阻分析儀能基本滿足要求，但這兩款儀器的價格昂貴，給工業(yè)檢測帶來經(jīng)濟障礙。中國遠方公司在對相關標準的深入研究基礎上，根據(jù)LED的特點，開發(fā)出滿足上述技術要求的檢測設備HEO-200熱電測試系統(tǒng)，價格較國外設備大幅降低。

HEO-200采用MOS（Metal Oxide Semiconductor）技術來實現(xiàn)電流的切換，切換時間小于10μs，能有效避免結溫冷卻帶來的試驗誤差。在對瞬態(tài)數(shù)據(jù)的采集中，采用循環(huán)測試法，即在2.1節(jié)所述步驟2）中，通過在極短時間內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1μs，保證了分析結果的準確性。

系統(tǒng)實物如圖5所示，包括測試主機、靜態(tài)空氣試驗箱以及專業(yè)測量分析軟件等，在系統(tǒng)工作中，為保證測量結果的準確性，系統(tǒng)采用內置的恒流源給LED提供電壓，確保LED發(fā)光穩(wěn)定。該套系統(tǒng)可以實現(xiàn)結溫、熱阻（瞬態(tài)熱阻、穩(wěn)態(tài)熱阻）、加熱曲線和冷卻曲線的準確測量。

為實現(xiàn)LED的光色參數(shù)隨結溫變化曲線的測量以及不計發(fā)光功率的熱阻測量，在上述系統(tǒng)基礎上，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現(xiàn)光色參數(shù)的測量。

4.2 加速老練和壽命檢測系統(tǒng)

對于加速老練和壽命的測試，無論采用何種壽命推算模型或何種壽命等級劃分方式，其硬件測量裝置基本相同，一般主要包括恒溫試驗箱、老練測試主機、多路溫度巡檢儀、光度計以及專業(yè)測控軟件。在測試過程中，恒溫試驗箱能控制LED的環(huán)境溫度到達指定溫度值，老練測試主機用于給被測LED供電及完成各LED電參數(shù)的測量，多路溫度巡檢儀用于測量每顆LED的溫度，光度計用于測量LED的光度參數(shù)，上述三者將測試的結果反饋到系統(tǒng)軟件，軟件分析推算得到被測LED的壽命。其實物裝置如圖6所示。

根據(jù)上述測量裝置，在不同的恒溫箱的條件下，測量出被測LED的光度，就可以得到LED光度-環(huán)境溫度--時間變化曲線（溫度特性試驗），如配置光譜儀設備，就可以得到被試LED色度-環(huán)境溫度-時間變化曲線（溫度特性試驗）。圖8為典型的LED 相對光通量隨環(huán)境溫度的變化曲線。

5. 小結

由于直接測量存在困難，對LED的熱學特性和壽命的評價具有挑戰(zhàn)。然而這兩大性能的精確檢測確是評價當前LED水平的重要依據(jù)。我國已經(jīng)對這兩大重要性能的測試做了較為深入的研究，并自主開發(fā)了相關測試設備，能夠滿足目前國內外各項標準的要求，使我國工業(yè)界能夠進行高精度、低成本的熱特性和壽命性能檢測。