1 概述

　　LED的熱學特性主要包括LED結溫、熱阻、瞬態變化曲線(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(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：

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　　式(1)中K為溫度敏感系數，由下式可到：

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　　式(2)中，VL為低結溫TL(如25℃)時LED在測量電流IM(小電流)下的正向電壓，VH為高結溫TH(如100℃)時LED在測量電流IM下的正向電壓。

　　LED結溫測量的時序如圖1所示：

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　　圖1(a) 電流時序圖 圖1(b)電壓時序圖

　　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達到穩定狀態，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：

　　根據上述原理，結溫計算公式為：

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　　熱阻計算公式為：

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　　式(3)中， 為初始溫度，式(4)中 為散熱通道上指定點的溫度，例如，環境溫度或外殼溫度。對于LED，輸入的電功率一部分用于LED發光，另一部分產生熱量，而熱耗散功率PH往往很難從總輸入電功率中區分出來，因此為方便和簡化測量，QB/T 4057-2010提出了“參考熱阻”的概念，即使用輸入總功率替代式(4)中的熱耗散功率。 “參考熱阻”由于測量方便，復現性好，得到了越來越多的應用。

　　在加熱電流IH 作用下，監視LED的結溫上升過程，獲取加熱曲線也很有意義，圖2所示為典型的加熱曲線，它不僅能夠判斷LED是否達到熱平衡，而且對于LED的結構和散熱能力分析有具有參考作用。

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　　圖2加熱曲線

　　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，并且瞬態數據的采集必須非常迅速。切換時間和數據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光色參數隨溫度變化曲線的測量

　　封裝LED的光色參數一般是在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℃，其光色性能會發生較大變化，這也給封裝LED的應用帶來困擾。因此，有必要監測LED的光色參數隨結溫變化的情況，如圖3所示。光色參數隨PN結溫度變化曲線的測量與K系數的測量方法類似。

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　　圖3白光LED的光通量和色溫隨結溫的變化關系[1]

　　而考察環境溫度(參考點溫度)對LED的光色參數的影響則更為直觀，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

　　與傳統照明產品不同，LED產品的壽命終了主要表現為光衰到一定程度，如衰減到50%或70%流明維持率，即L50或L70。現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：85oC ，55oC 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的實際工作環境。老練測試時間為6000小時，可根據測試的數據進行外推計算獲取LED的壽命時間。如圖4所示為壽命推算曲線：

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　　圖4 LM-80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

　　根據上述2.1節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定控制。國際上匈牙利的T3Ster LED熱阻測試系統和美國的Phase11熱阻分析儀能基本滿足要求，但這兩款儀器的價格昂貴，給工業檢測帶來經濟障礙。中國遠方公司在對相關標準的深入研究基礎上，根據LED的特點，開發出滿足上述技術要求的檢測設備HEO-200熱電測試系統，價格較國外設備大幅降低。

　　HEO-200采用MOS(Metal Oxide Semiconductor)技術來實現電流的切換，切換時間小于10μs，能有效避免結溫冷卻帶來的試驗誤差。在對瞬態數據的采集中，采用循環測試法，即在2.1節所述步驟2)中，通過在極短時間內斷開加熱電流情況下快速采集數據以得到瞬態變化數據，并配以1MHz/s的采樣速度，采集瞬態數據的精度高達1μs，保證了分析結果的準確性。

　　系統實物如圖5所示，包括測試主機、靜態空氣試驗箱以及專業測量分析軟件等，在系統工作中，為保證測量結果的準確性，系統采用內置的恒流源給LED提供電壓，確保LED發光穩定。該套系統可以實現結溫、熱阻(瞬態熱阻、穩態熱阻)、加熱曲線和冷卻曲線的準確測量。

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　　圖5 LED熱特性檢測設備

　　為實現LED的光色參數隨結溫變化曲線的測量以及不計發光功率的熱阻測量，在上述系統基礎上，配置具有同步觸發功能的高精度快速光譜儀和積分球來實現光色參數的測量。

　　4.2 加速老練和壽命檢測系統

　　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、光度計以及專業測控軟件。在測試過程中，恒溫試驗箱能控制LED的環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，上述三者將測試的結果反饋到系統軟件，軟件分析推算得到被測LED的壽命。其實物裝置如圖6所示。

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　　圖6 加速老練和壽命檢測系統

　　圖7為典型的LED老練壽命曲線

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　　圖7 LED老練壽命曲線

　　根據上述測量裝置，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 相對光通量隨環境溫度的變化曲線。

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　　圖8 LED光通量隨環境溫度變化曲線

　　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。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。我國已經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，使我國工業界能夠進行高精度、低成本的熱特性和壽命性能檢測。