LED照明產(chǎn)品檢測中的缺陷及改善

一、 序言

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)的時候已經(jīng)基本到來。傳統(tǒng)的 LED 及其模塊光、色、電參數(shù)檢測方法有電脈沖驅(qū)動,CCD 快速光譜測量法,也有在一定的條件下,熱平衡后的測量法,但這些方法的測量條件和結(jié)果與LED 進入照明器具內(nèi)的實際工作情況都相差甚遠。文章介紹了通過Vf—TJ 曲線的標(biāo)出并控制LED 在控定的結(jié)溫下測量其光、色、電參數(shù)不僅對采用LED的照明器具的如何保證LED 工作結(jié)溫提供了目標(biāo)限位,同時也使LED 及其模塊的光、色、電參數(shù)的測量參數(shù)更接近于實際的應(yīng)用條件。文章還介紹了采用LED的照明器具如測量LED 的結(jié)溫并確定LED 參考點的限值溫度與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系。這對快速評估采用LED 的照明器具的工作狀態(tài)和使用壽命提供了一個有效的途徑。

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

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測量光譜儀的同步聯(lián)動,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,同步打開瞬時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)進行快速檢測,同時,也同步采集LED 的正向壓降和功率等參數(shù)。由于這種方式在檢測過程中,LED 的結(jié)溫幾乎等同于室溫,所以,測量結(jié)果的光效高,光色和電參數(shù)與實際使用情況有明顯差異,這一般都是LED 芯片(器件)生產(chǎn)商采用的快速檢測方法,而與LED 實際應(yīng)用在最終照明器具中的狀態(tài)不具有可參比性。

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密,但實際上,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)與今后實際的應(yīng)用狀態(tài)的參數(shù)仍不具有可參比性。已經(jīng)頒布的GB/T24824—2009/CIE 127-2007NEQ《普通照明用LED模塊的基本性能的測量方法》標(biāo)準(zhǔn)中,在這方面是這樣規(guī)定的：“試驗或測量時LED模塊應(yīng)工作在熱平衡狀態(tài)下,在監(jiān)視環(huán)境溫度的同時,最好能監(jiān)視LED模塊自身的工作溫度,以保證試驗的可復(fù)現(xiàn)性。如可能監(jiān)測LED模塊結(jié)電壓,則應(yīng)首選監(jiān)測結(jié)電壓。否則,應(yīng)監(jiān)測LED模塊指定溫度測量點的溫度”?？梢娫诒O(jiān)測結(jié)電壓的條件下來測量LED 模塊的光電參數(shù)是保證檢測重現(xiàn)性的首選方案,但是,標(biāo)準(zhǔn)中沒有指明在模擬實際使用結(jié)溫條件下檢測LED 模塊的光、色、電參數(shù)。

2、LED 模塊測量方法的改進

眾所周知,LED 的光、電參數(shù)特性與它的工作時的結(jié)溫密切相關(guān),同一個LED 產(chǎn)品,結(jié)溫的不會造成這些參數(shù)的明顯不同,這也造成了同一個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)溫的條件下來進行。另外,LED 因為封裝的工藝、材料等差異,其聲稱的最高工作結(jié)溫是明顯不同的,為了保證LED 照明產(chǎn)品具有高效、長壽的特點,LED 實際的工作結(jié)溫應(yīng)明顯低于最高工作結(jié)溫。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。實踐證明,要使此類LED 照明器具,到70%的光通維持率的時間要≥6 萬小時,其工作結(jié)溫必須保持在70℃～75℃以下。從提高光效和使用壽命的角度來講,LED 的工作結(jié)溫能保持在60℃以下更好,但從照明器具的造型、體積、性價比來講,則應(yīng)該控制在能達到預(yù)期的光效和使用壽命的基礎(chǔ)上把LED的最高工作結(jié)溫控制在70℃～75℃最為合適。為了使LED 及其模塊的光、色、電參數(shù)的檢測也盡可能接近于實際應(yīng)用的結(jié)溫狀態(tài),就必須解決如何測量LED的結(jié)溫并能在這一結(jié)溫下進行光、色、電參數(shù)的檢測問題。

(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。但是因為耗散功率和熱阻系數(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,往往會刻出或值入1 個或幾個二極管,通過測量其正向電壓降的變化來達到測量芯片結(jié)溫的目的。

(2)目前國際上較先進的Vf—TJ 測量方法

目前國際上先進的 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到140℃左右,隨后讓缸內(nèi)硅油自然冷卻,只要冷卻時硅油溫度下降的速度足夠慢,就可以認為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℃時瞬時給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Vf—TJ 曲線。這一方法屬于在溫度下降時測量方法,對于測量來說是可行的,但是因為試驗室的環(huán)境溫度是衡定的(一般為25℃),而硅油缸的油溫是從高到低下降的,這就造成當(dāng)硅油缸的油溫較高時,因為與試驗室環(huán)境溫度的溫差大而使冷卻速度較快,為了保證測量的準(zhǔn)確性采用了適當(dāng)?shù)拇胧┦构栌透自跍囟容^高時溫度下降不致于太快,但當(dāng)硅油缸溫度較低時,因為與室溫的溫差太小而使冷卻的速度太慢,這大大延長了這一檢測過程的測量時間。因為上述原因,這一溫度下降時的測量方法在標(biāo)定Vf—TJ 過程是不可能短的,(大約需4～5 小時),否則將產(chǎn)生明顯的測量誤差。另外,這種檢測裝置油缸是固定的,要測量第二組,時間很慢。還有上述加熱裝置是在硅油缸外面的底部,加熱與控溫以及測量的溫度都存在明顯的滯后,這也造成這一方法測量結(jié)溫的準(zhǔn)確性比較差。

(3)新的Vf—TJ 檢測方法

本機構(gòu)發(fā)明的檢測方法是采用溫度上升時的測量方法,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,加熱時間與不加熱時間的比例是很小的,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PID 加熱和控溫系統(tǒng)會自動加大加熱時間與不加熱時間的比例,(實際加大了單位時間內(nèi)的加熱功率)所以能保證硅油缸內(nèi)硅油的溫度上升速率始終保持在設(shè)定的速率上,不會因為硅油溫度與環(huán)境溫度的差異不同而發(fā)生油溫上升的速率不同?？梢栽O(shè)定讓硅油衡溫在應(yīng)用溫度范圍的任一溫度值上,也可以實現(xiàn)0.1℃/分鐘～2℃/分鐘的升溫速率。

在每次升溫階段后,具有一個衡溫控制階段,即升溫階段和衡溫階段形成了階梯式控溫曲線。隨著溫度階梯式上升,測量正向電壓可以設(shè)定成每上升0.5℃測量一次,并且可以以0.5℃的間隔,可逐步調(diào)整到每上升10℃測量一次。為了保證控溫以及測量的溫度的及時性,采用內(nèi)置式加熱,另外又為了保證硅油缸內(nèi)油溫的一致性,在油缸底部加有一個磁性感應(yīng)的攪拌條,利用外部電機轉(zhuǎn)動并通過磁感應(yīng)帶動這一攪拌磁條在油缸內(nèi)轉(zhuǎn)動,這一轉(zhuǎn)動速度可調(diào),從而保證了油缸內(nèi)的硅油溫差保持在0.2℃范圍內(nèi)。本測量裝置因為硅油溫度上升的速率幾乎一致,并且實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,并且檢測時間(從25℃到140℃約為2.5 個小時左右)能明顯低于目前國際上已有的檢測裝置的測量時間。目前國際上已有的檢測裝置是單硅油缸結(jié)構(gòu),本測量裝置采用雙硅油缸結(jié)構(gòu),當(dāng)完成一組樣品的測量后,更換一個硅油缸可立刻開始第二組LED 的檢測。本測量裝置在每一個測量溫度點測得的溫度和LED 正向電壓降后,導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫并由編制的軟件生成Vf—TJ 曲線。

(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15～20 分鐘基本達到穩(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,如與目標(biāo)值有差異,控制程序?qū)⒆詣诱{(diào)整恒溫基座的溫度來使LED的正向電壓Vf達到目標(biāo)結(jié)溫值對應(yīng)的結(jié)電壓。在快速測定Vf 后,裝置將自動回復(fù)使LED 通以工作電流的狀態(tài)。當(dāng)被測LED 在通過工作電流的情況下,其結(jié)溫達到目標(biāo)值(即達到目標(biāo)結(jié)溫值對應(yīng)的Vf 值)且熱平衡后,系統(tǒng)將自動啟動光譜儀測量光、色參數(shù)同時讀取其電參數(shù)。

上述測量方法最明顯的優(yōu)點是,在LED 實際的應(yīng)用中,只要照明器具中LED工作在目標(biāo)結(jié)溫值附近,用這一方法參數(shù)有很好的模擬性,也使它的這些所測量的參數(shù)變得有意義,并且其光、色、電參數(shù)也具有很好的測量結(jié)果的重現(xiàn)性。

三、 LED 進入照明器具后結(jié)溫的測量

1、LED 進入照明器具后結(jié)溫控制和測量的必要性

LED 應(yīng)用到照明器具中時,人們普遍希望具有幾萬小時的使用壽命,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 天以上的時間(6000h),這在很多工程招標(biāo)和驗收時是無法實施的。

結(jié)溫作為衡量一個 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的熱阻這兩個定量的指標(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,另外還能得知LED 照明器具的光效和其他光參數(shù)的測量值是在什么結(jié)溫條件下測得的,并且能得出照明器具中功率型LED 熱沉上的某一點(參考溫度點)與結(jié)溫之間的函數(shù)關(guān)系,從而指導(dǎo)企業(yè)正確地標(biāo)出熱沉參考點的溫度限值。

2、測量方法介紹

目前國內(nèi)外對 LED 的PN 結(jié)的結(jié)溫,只能進行單個LED 或者單個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)上粘上一個熱電偶。使燈具在25℃±2℃的環(huán)境下放置6～12 小時(視所測燈具的體積大小確定放置時間),然后給圖2 中的被測LED 通上一支測量電流If,If 視被測LED 的功率大小可在2mA～50 mA 范圍選定。通電測量時間為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,在單位的測量時間Δt 內(nèi)Vf 下降的數(shù)值ΔVf。該數(shù)值留作下述檢測過程作為測量電流引起的Vf 變化的修正量。當(dāng)測量時間小于3ms 并且測量電流比較小時,可以不引入修正量。

(2)把三個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間段和升溫時間段,這兩個時間段可分別設(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,說明燈具內(nèi)LED 已達到某一設(shè)定點溫度的熱平衡。當(dāng)每一個恒溫時間段即將結(jié)束,開始測量被測LED 的正向電壓降Vf,根據(jù)實際測量的時間△t,從圖3 中得出修正是△Vf。把測得的Vf 值再加上△Vf,得出D1 在該溫度下不受測量電流影響的Vf1',即Vf1'=Vf1+△Vf,把這一Vf1'和用熱電隅測的溫度T1 導(dǎo)入到設(shè)定的電腦數(shù)據(jù)庫中,重復(fù)這一步驟,可以得出一組經(jīng)修正的數(shù)值。把這一組經(jīng)修正的數(shù)值自動導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫,就能生成照明器具內(nèi)LED 的Vf-TJ 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,按如下步驟進行LED 熱阻的測量。

(1) 把該照明器具放入到GB 7000.1 標(biāo)準(zhǔn)附錄D 規(guī)定的防風(fēng)罩內(nèi),按正常的熱試驗位置布置好燈具,除了原來已經(jīng)粘接在被測LED D1 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甚至燈具外殼上某些點上粘接熱電隅,(可以是單個或多個熱電隅)。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。

(2) 根據(jù)照明器具內(nèi)LED 控制裝置輸出給D1 的實測工作電流值,設(shè)定測試恒流電源,按圖2 電路給D1 通上一個實測工作電流,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導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。當(dāng)測量的Vf 查得的結(jié)溫與熱電隅所測溫度達到最大差值時,記錄下此時的VfR 值和熱電隅的測量的某一點溫度值TB。把VfR 值通過Vf-TJ 曲線,得到該D1 即時的結(jié)溫值TfR。按熱阻RAB=(TfR-TB)/P 公式計算出D1 的PN 結(jié)到熱沉或散熱器甚至外殼的熱阻值。

式中：

TFR——是D1 的PN 結(jié)結(jié)溫與熱電隅的測量值差達到最大值時D1 的正向電壓降Vfa 值再根據(jù)Vf-TJ 曲線查得的該時刻LED 的結(jié)溫。

TB——是當(dāng)測量的Vf 查得的結(jié)溫與熱電隅所測溫度達到最大差值時,熱電隅測得的該時刻的參考點的測度值(該參考點可以是熱沉,也可以是散熱器上的某一點,亦可以是燈具外殼散熱器上的某一點)。

P——被測LED 測熱阻時的加熱功率,是實測工作電流與結(jié)溫測量過程被測LED 正向電壓降的平均值的乘積。

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,本條試驗可以和照明器具的熱試驗同時進行。把采用LED 的照明器具仍放在GB 7000.1 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。把三個2 刀2 擲轉(zhuǎn)換繼電器調(diào)到工作位置,按GB7000.1 標(biāo)準(zhǔn)中12.4 熱試驗的要求進行熱試驗, 通過照明器具內(nèi)的LED 控制裝置把照明器具中的LED 矩陣點亮,此時LED 照明器具處于正常工作狀態(tài),觀察LED 的熱沉上粘上的熱電偶反映的溫度值,當(dāng)溫度值達到熱平衡(每小時內(nèi)溫度變化小于1℃)時,把三個2 刀2 擲轉(zhuǎn)換繼電器調(diào)到測量位置,連續(xù)5 次,每次間隔數(shù)十毫秒測量出5 個被測LED 的正向電壓值,通過電腦和專用函數(shù)計算軟件,計算出被測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)工作至熱平衡時的結(jié)溫值,同時,也可以得到燈具連續(xù)工作至熱平衡時熱沉上參考點的溫度值。

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地結(jié)合起來。LED 照明燈具在正常工作時,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 工作時的PN 結(jié)結(jié)溫及散熱的熱阻,如果這兩個指標(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?？梢灶A(yù)見,這一方法的確立將是指導(dǎo) LED 照明器具改進設(shè)計、制造環(huán)節(jié),使LED 照明器具設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)走向更高層次的有力推手。