LED模塊的光電參數(shù)和檢測方法的現(xiàn)狀和改進(jìn)方法

一、序言

對于一個(gè)新興的產(chǎn)品，其產(chǎn)品自身的發(fā)展總是先于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法。雖然產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法不可能先于產(chǎn)品的研發(fā)，但是，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法應(yīng)盡可能地緊跟產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的進(jìn)度，因?yàn)楫a(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)和檢測方法的制訂越及時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)和檢測方法的回顧、小結(jié)的時(shí)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(jìn)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(shí)測量光譜儀的同步聯(lián)動(dòng)，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(shí)，同步打開瞬時(shí)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(jìn)行快速檢測，同時(shí)，也同步采集LED的正向壓降和功率等參數(shù)。

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(dá)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(yán)密，但實(shí)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(shí)際的應(yīng)用狀態(tài)的參數(shù)仍不具有可參比性。

2、LED模塊測量方法的改進(jìn)

眾所周知，LED的光、電參數(shù)特性與它的工作時(shí)的結(jié)溫密切相關(guān)，同一個(gè)LED產(chǎn)品，結(jié)溫的不會(huì)造成這些參數(shù)的明顯不同，這也造成了同一個(gè)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(yīng)考慮在設(shè)定的工作結(jié)溫的條件下來進(jìn)行。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。

(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?yàn)楹纳⒐β屎蜔嶙柘禂?shù)的不準(zhǔn)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(zhǔn)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(dòng)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(yīng)著測量結(jié)溫約30度的變化，所以測量精度和重復(fù)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(gè)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(huì)刻出或值入1個(gè)或幾個(gè)二極管，通過測量其正向電壓降的變化來達(dá)到測量芯片結(jié)溫的目的。

(2)目前國際上較先進(jìn)的Vf—TJ測量方法

目前國際上先進(jìn)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(dá)到140℃左右，隨后讓缸內(nèi)硅油自然冷卻，只要冷卻時(shí)硅油溫度下降的速度足夠慢，就可以認(rèn)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(shí)瞬時(shí)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(diǎn)的溫度和正向電壓降導(dǎo)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(gè)設(shè)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(dāng)完成這一組測量數(shù)據(jù)并導(dǎo)入到電腦軟件的數(shù)據(jù)庫后，由軟件產(chǎn)生一個(gè)Vf—TJ曲線。這一方法屬于在溫度下降時(shí)測量方法，對于測量來說是可行的。

(3)新的Vf—TJ檢測方法

本機(jī)構(gòu)發(fā)明的檢測方法是采用溫度上升時(shí)的測量方法，采用電腦設(shè)定的PID(積分、微分加上加熱與不加熱時(shí)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(shí)間與不加熱時(shí)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(shí)PID加熱和控溫系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加大加熱時(shí)間與不加熱時(shí)間的比例。

在每次升溫階段后，具有一個(gè)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。本測量裝置因?yàn)楣栌蜏囟壬仙乃俾蕩缀跻恢?，并且?shí)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(zhǔn)確的檢測結(jié)果，并且檢測時(shí)間(從25℃到140℃約為2.5個(gè)小時(shí)左右)能明顯低于目前國際上已有的檢測裝置的測量時(shí)間。

(4)照明LED結(jié)溫測量及利用Vf—TJ關(guān)系曲線指導(dǎo)光、色、電參數(shù)的測量

得到被測LED的Vf—TJ的曲線后，最重要的是用于定結(jié)溫條件下的光、色、電參數(shù)測量。檢測系統(tǒng)見圖1。把被測LED固定到帶控溫/恒溫基座的積分球內(nèi)，給LED通以工作電流，給LED燃點(diǎn)15～20分鐘基本達(dá)到穩(wěn)定后，快速切換到測量電流(即前面標(biāo)定Vf—TJ曲線的測量電流)用數(shù)毫秒時(shí)間快速測定被測LED的正向電壓Vf，通過與Vf—TJ曲線中設(shè)定結(jié)溫值對應(yīng)的Vf比較。當(dāng)被測LED在通過工作電流的情況下，其結(jié)溫達(dá)到目標(biāo)值(即達(dá)到目標(biāo)結(jié)溫值對應(yīng)的Vf值)且熱平衡后，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)光譜儀測量光、色參數(shù)同時(shí)讀取其電參數(shù)。

三、LED進(jìn)入照明器具后結(jié)溫的測量

1、LED進(jìn)入照明器具后結(jié)溫控制和測量的必要性

LED應(yīng)用到照明器具中時(shí)，人們普遍希望具有幾萬小時(shí)的使用壽命，但是要測量采用LED的照明器具的光衰減和壽命，按照美國DOE的LM80要求往往要化300天以上的時(shí)間(6000h)，這在很多工程招標(biāo)和驗(yàn)收時(shí)是無法實(shí)施的。

結(jié)溫作為衡量一個(gè)LED照明器具性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，是LED照明器具在工程應(yīng)用中可靠性測量的核心要素。如果能準(zhǔn)確測量出燈具內(nèi)LED的PN結(jié)結(jié)溫和PN結(jié)到散熱器某一指定點(diǎn)的熱阻這兩個(gè)定量的指標(biāo)，就不僅能衡量采用LED的照明器具散熱特性的優(yōu)劣，還能定性地知道各種采用LED的同類照明器具的大致使用壽命。

2、測量方法介紹

目前國內(nèi)外對LED的PN結(jié)的結(jié)溫，只能進(jìn)行單個(gè)LED或者單個(gè)LED摸塊的結(jié)溫和熱阻的測量，還沒有完整的對照明器具內(nèi)LED實(shí)際工作結(jié)溫和熱阻的測量方法，下面介紹一種完整的對照明器具內(nèi)LED實(shí)際工作結(jié)溫和熱阻的測量方法。

1)、Vf-TJ曲線標(biāo)定

(1)將照明器具內(nèi)LED矩陣中間的某一串聯(lián)LED組中處于或者接近中間部位的一顆LED作為被測LED，按圖2電路連接，在這一顆LED的熱沉(LED自身所帶的小散熱器)上粘上一個(gè)熱電偶。通電測量時(shí)間為0.005S～2S，在此期間連續(xù)測量被測LED的正向電壓降Vf可得出如圖3所示曲線。從該曲線上可得出該照明器具內(nèi)被測LED在通過某一恒定的測量電流時(shí)，在單位的測量時(shí)間Δt內(nèi)Vf下降的數(shù)值ΔVf。

圖2LED的燈具中LED矩陣某一串LED組的測量電路連接圖

圖3在單位的測量時(shí)間內(nèi)通過測量電流時(shí)，被測LED的Vf下降的數(shù)值ΔVf和測量時(shí)間Δt的關(guān)系曲

(2)把三個(gè)2刀2擲轉(zhuǎn)換繼電器調(diào)到測量位置，把LED燈具放入一個(gè)可編程控制的專用加熱箱內(nèi)，該加熱箱采用PID編程方式，設(shè)定階梯式加溫方式對箱體內(nèi)LED燈具進(jìn)行加熱。階梯式加溫的控溫曲線見圖4。圖4中每一階梯分為恒溫時(shí)間段和升溫時(shí)間段，這兩個(gè)時(shí)間段可分別設(shè)定，設(shè)定范圍為1分鐘～30分鐘中的任一值。根據(jù)LED的熱沉上粘上的熱電偶反映的溫度值，并且最終是以圖2電路測量被測LED的正向電壓降穩(wěn)定時(shí)，說明燈具內(nèi)LED已達(dá)到某一設(shè)定點(diǎn)溫度的熱平衡。

圖4加熱箱階梯式加溫的控溫曲線

2)、照明器具中LED熱阻的測量

把上述在加熱箱內(nèi)已完成Vf-TJ關(guān)系曲線標(biāo)定的照明器具取出冷卻后，按如下步驟進(jìn)行LED熱阻的測量。

(1)把該照明器具放入到GB7000.1標(biāo)準(zhǔn)附錄D規(guī)定的防風(fēng)罩內(nèi)，按正常的熱試驗(yàn)位置布置好燈具，除了原來已經(jīng)粘接在被測LEDD1上的熱電隅外，還可根據(jù)檢測委托方要求，在燈具內(nèi)LED的散熱器的某些指定點(diǎn)甚至燈具外殼上某些點(diǎn)上粘接熱電隅，(可以是單個(gè)或多個(gè)熱電隅)。把每一熱電隅連接到測溫儀上，使照明器具在25℃±1℃條件下放置8小時(shí)。

(2)根據(jù)照明器具內(nèi)LED控制裝置輸出給D1的實(shí)測工作電流值，設(shè)定測試恒流電源，按圖2電路給D1通上一個(gè)實(shí)測工作電流，加熱1分鐘～30分鐘，其間每隔1分鐘用原來標(biāo)定的測量電流對D1進(jìn)行一次Vf的測量，并按Vf-TJ曲線查出對應(yīng)的結(jié)溫值，同時(shí)監(jiān)視熱電隅的測量溫度，把測量的結(jié)溫值和監(jiān)視熱電隅的測量溫度值自動(dòng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。把VfR值通過Vf-TJ曲線，得到該D1即時(shí)的結(jié)溫值TfR。按熱阻RAB=(TfR-TB)/P公式計(jì)算出D1的PN結(jié)到熱沉或散熱器甚至外殼的熱阻值。

3)、照明器具中LED結(jié)溫的測量

把LED照明器具從專用加熱箱內(nèi)取出，本條試驗(yàn)可以和照明器具的熱試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。把采用LED的照明器具仍放在GB7000.1標(biāo)準(zhǔn)的附錄D規(guī)定的防風(fēng)罩內(nèi)，照明器具處于正常工作位置。計(jì)算出被測LED在斷開工作電流瞬間的正向電壓降，并根據(jù)上述正向電壓降與結(jié)溫的關(guān)系曲線查出LED照明器具中被測LED在連續(xù)工作至熱平衡時(shí)的結(jié)溫值，同時(shí)，也可以得到燈具連續(xù)工作至熱平衡時(shí)熱沉上參考點(diǎn)的溫度值。

四、回顧和總結(jié)

對LED結(jié)溫的測量和控制，是LED進(jìn)入照明領(lǐng)域不可缺少的重要步驟，它使LED器件與LED照明器具前后工序有機(jī)地結(jié)合起來。通過對某一型號LED的Vf—TJ曲線標(biāo)定，并利用這一曲線能指導(dǎo)并控制LED在預(yù)定的結(jié)溫下測量光、色、電參數(shù)，使LED這些參數(shù)的測量值更接近于實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)的參數(shù)，進(jìn)一步得知LED的PN結(jié)到照明器具上某一點(diǎn)的熱阻，從而指導(dǎo)LED照明器具的生產(chǎn)企業(yè)能正確地標(biāo)明參考點(diǎn)溫度的限值，并能在批量生產(chǎn)中，方便地通過測量參考點(diǎn)的溫度而基本得知LED的工作結(jié)溫。

LED照明燈具在正常工作時(shí)，其散熱特性的好壞直接關(guān)系到光效，光衰和使用壽命，對應(yīng)的指標(biāo)是LED工作時(shí)的PN結(jié)結(jié)溫及散熱的熱阻，如果這兩個(gè)指標(biāo)做好了，就說明該燈具在效率和使用壽命方面是有保證的，就如對人體的檢查，如果驗(yàn)血的指標(biāo)、彩色CT的檢查及血液造影結(jié)果都是好的話，這個(gè)人身體一定是健康的。本檢驗(yàn)方法的意義就在于，建立了LED照明燈具“驗(yàn)血和彩色CT的檢查及血液造影儀”及其方法?？梢灶A(yù)見，這一方法的確立將是指導(dǎo)LED照明器具改進(jìn)設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)，使LED照明器具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)走向更高層次的有力推手。