一、 序言
LED 照明产业发展到现在,我们对LED 照明产品标准和检测方法的回顾、小结的时候已经基本到来。传统的 LED 及其模块光、色、电参数检测方法有电脉冲驱动,CCD 快速光谱测量法,也有在一定的条件下,热平衡后的测量法,但这些方法的测量条件和结果与LED 进入照明器具内的实际工作情况都相差甚远。文章介绍了通过Vf—TJ 曲线的标出并控制LED 在控定的结温下测量其光、色、电参数不仅对采用LED的照明器具的如何保证LED 工作结温提供了目标限位,同时也使LED 及其模块的光、色、电参数的测量参数更接近于实际的应用条件。文章还介绍了采用LED的照明器具如测量LED 的结温并确定LED 参考点的限值温度与结温的函数关系。这对快速评估采用LED 的照明器具的工作状态和使用寿命提供了一个有效的途径。
二、 LED 模块的光电参数和检测方法的现状和改进方法
1、传统的LED 模块的检测方法
目前传统的 LED 模块的检测方法主要有两种,第一种是采用脉冲测量的方法,它是把照明LED 模块固定在测量装置上(例如积分球的测量位置等),采用脉冲恒流电源与瞬时测量光谱仪的同步联动,即对LED 发出数十毫秒～数佰毫秒恒流的脉冲电流的同时,同步打开瞬时测量光谱仪器的快门,对LED 发出的光参数(光通量、光色参数等)进行快速检测,同时,也同步采集LED 的正向压降和功率等参数。由于这种方式在检测过程中,LED 的结温几乎等同于室温,所以,测量结果的光效高,光色和电参数与实际使用情况有明显差异,这一般都是LED 芯片(器件)生产商采用的快速检测方法,而与LED 实际应用在最终照明器具中的状态不具有可参比性。
第二种检测方法是把LED模块安装在检测装置上后,可能带上一固定的散热器(也可能具有基座控温功能),给LED施加其声称的工作电流,受传统的照明光源检测方法的影响,也是等到LED达到热平衡后再开始测量它的光电参数。这种方法看似比较严密,但实际上,它的热平衡条件和工作条件与此类LED装入最终的照明器具中的状态仍没有好的关联性,因此所测的光电参数与今后实际的应用状态的参数仍不具有可参比性。已经颁布的GB/T24824—2009/CIE 127-2007NEQ《普通照明用LED模块的基本性能的测量方法》标准中,在这方面是这样规定的：“试验或测量时LED模块应工作在热平衡状态下,在监视环境温度的同时,最好能监视LED模块自身的工作温度,以保证试验的可复现性。如可能监测LED模块结电压,则应首选监测结电压。否则,应监测LED模块指定温度测量点的温度”。可见在监测结电压的条件下来测量LED 模块的光电参数是保证检测重现性的首选方案,但是,标准中没有指明在模拟实际使用结温条件下检测LED 模块的光、色、电参数。
2、LED 模块测量方法的改进
众所周知,LED 的光、电参数特性与它的工作时的结温密切相关,同一个LED 产品,结温的不会造成这些参数的明显不同,这也造成了同一个LED 光、色、电参数测量结果的明显不一致性,所以测量LED 的光电参数首先应考虑在设定的工作结温的条件下来进行。另外,LED 因为封装的工艺、材料等差异,其声称的最高工作结温是明显不同的,为了保证LED 照明产品具有高效、长寿的特点,LED 实际的工作结温应明显低于最高工作结温。例如,目前我们大量采用的LED 封装方法和技术,在LED 的发光面前,都具有高分子硅胶加荧光粉的覆盖层。实践证明,要使此类LED 照明器具,到70%的光通维持率的时间要≥6 万小时,其工作结温必须保持在70℃～75℃以下。从提高光效和使用寿命的角度来讲,LED 的工作结温能保持在60℃以下更好,但从照明器具的造型、体积、性价比来讲,则应该控制在能达到预期的光效和使用寿命的基础上把LED的最高工作结温控制在70℃～75℃最为合适。为了使LED 及其模块的光、色、电参数的检测也尽可能接近于实际应用的结温状态,就必须解决如何测量LED的结温并能在这一结温下进行光、色、电参数的检测问题。
(1)目前LED 的结温测量方法大概有
1)通过测量管脚温度和芯片耗散功率和热阻系数求得结温。但是因为耗散功率和热阻系数的不准确,所以测量精度比较低。
2)红外热成像法,利用红外非接触温度仪直接测量LED 芯片的温度,但要求被测器件处于未封装的状态,另外对LED 封装材料折射率有特殊要求,否则无法准确测量,测量精度比较低。
3)利用发光光谱峰位移测定结温,也是一种非接触的测量方法,直接从发光光谱确定禁带宽度移动技术来测量结温,这一方法对光谱测试仪器分辨精度要求较高,发光峰位的精度测定难度较大,而光谱峰位移1 纳米的误差变化就对应着测量结温约30 度的变化,所以测量精度和重复性都比较低。
4)向列型液晶热成像技术,对仪器分辨率要求高,只能测量未封装的单个裸芯片,不能测量封装后的LED。
5)利用二极管 PN 结电压与结温的Vf-TJ 关系曲线,来测量LED 的结温。
从上述介绍的各种 LED 结温的测量方法可看出,采用监视二极管PN 结电压的变化来推算结温的方法最具有可行性并且测量精度也最高,所以在很多集成IC 电路中,为了检测IC 芯片的工作结温,往往会刻出或值入1 个或几个二极管,通过测量其正向电压降的变化来达到测量芯片结温的目的。
(2)目前国际上较先进的Vf—TJ 测量方法
目前国际上先进的 Vf—TJ 测量方法是把被测的LED 连上引出线放入在硅油缸内,随后加热硅油缸使硅油的温度达到140℃左右,随后让缸内硅油自然冷却,只要冷却时硅油温度下降的速度足够慢,就可以认为LED 的结温与LED 的热沉的温度是基本一致的,在此过程中,根据所测的硅油温度,每下降2℃～10℃时瞬时给LED 输入规定的电流脉冲,并测量其在这一温度下的正向电压降,把这一测量点的温度和正向电压降导入到电脑软件的数据库,从140℃左右开始,随温度的下降,每下降一个设定的等分温度测量一次热沉温度和正向电压降,一直测量到25℃左右,当完成这一组测量数据并导入到电脑软件的数据库后,由软件产生一个Vf—TJ 曲线。这一方法属于在温度下降时测量方法,对于测量来说是可行的,但是因为试验室的环境温度是衡定的(一般为25℃),而硅油缸的油温是从高到低下降的,这就造成当硅油缸的油温较高时,因为与试验室环境温度的温差大而使冷却速度较快,为了保证测量的准确性采用了适当的措施使硅油缸在温度较高时温度下降不致于太快,但当硅油缸温度较低时,因为与室温的温差太小而使冷却的速度太慢,这大大延长了这一检测过程的测量时间。因为上述原因,这一温度下降时的测量方法在标定Vf—TJ 过程是不可能短的,(大约需4～5 小时),否则将产生明显的测量误差。另外,这种检测装置油缸是固定的,要测量第二组,时间很慢。还有上述加热装置是在硅油缸外面的底部,加热与控温以及测量的温度都存在明显的滞后,这也造成这一方法测量结温的准确性比较差。
(3)新的Vf—TJ 检测方法
本机构发明的检测方法是采用温度上升时的测量方法,采用电脑设定的PID(积分、微分加上加热与不加热时间比例控制)方法来加热和控制硅油缸的温度,即在硅油缸加热的起始段,加热时间与不加热时间的比例是很小的,并且可调,使硅油缸温度上升速率能保证LED 结温、热沉与硅油温度的一致性,随着硅油温度的逐步上升,与室温的温差也随之加大,此时PID 加热和控温系统会自动加大加热时间与不加热时间的比例,(实际加大了单位时间内的加热功率)所以能保证硅油缸内硅油的温度上升速率始终保持在设定的速率上,不会因为硅油温度与环境温度的差异不同而发生油温上升的速率不同。可以设定让硅油衡温在应用温度范围的任一温度值上,也可以实现0.1℃/分钟～2℃/分钟的升温速率。
在每次升温阶段后,具有一个衡温控制阶段,即升温阶段和衡温阶段形成了阶梯式控温曲线。随着温度阶梯式上升,测量正向电压可以设定成每上升0.5℃测量一次,并且可以以0.5℃的间隔,可逐步调整到每上升10℃测量一次。为了保证控温以及测量的温度的及时性,采用内置式加热,另外又为了保证硅油缸内油温的一致性,在油缸底部加有一个磁性感应的搅拌条,利用外部电机转动并通过磁感应带动这一搅拌磁条在油缸内转动,这一转动速度可调,从而保证了油缸内的硅油温差保持在0.2℃范围内。本测量装置因为硅油温度上升的速率几乎一致,并且实行阶梯式升温和控温,从而能保证在合理的温度上升速率的条件下得到准确的检测结果,并且检测时间(从25℃到140℃约为2.5 个小时左右)能明显低于目前国际上已有的检测装置的测量时间。目前国际上已有的检测装置是单硅油缸结构,本测量装置采用双硅油缸结构,当完成一组样品的测量后,更换一个硅油缸可立刻开始第二组LED 的检测。本测量装置在每一个测量温度点测得的温度和LED 正向电压降后,导入到数据库并由编制的软件生成Vf—TJ 曲线。