LED热特性和寿命检测

1 概述

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：

式(1)中K为温度敏感系数，由下式可到：

式(2)中，VL为低结温TL(如25℃)时LED在测量电流IM(小电流)下的正向电压，VH为高结温TH(如100℃)时LED在测量电流IM下的正向电压。

LED结温测量的时序如图1所示：

图1(a) 电流时序图 图1(b)电压时序图

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：

根据上述原理，结温计算公式为：

热阻计算公式为：

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。

图2加热曲线

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。