大功率LED的光电温度特性测量技术

近年来，大功率LED包括集成封装的LED光源已经逐渐成为半导体照明产品应用的主流。然而， 其工作中温度升高导致的光电性能变化甚至对寿命的影响非常显著，这也成为横亘在中游封装厂家 与其用户下游终端产品制造商之间的“鸿沟”，封装厂所标称的常温光色电参数很难直接被下游厂 商直接应用，而高低温间的转换系数往往不可控，因此用标准化的方法获得大功率LED在高温下的 光色电参数十分必要。本文基于北美标准和CIE技术报告，介绍在高结温下测量大功率LED光色 电参数的方法，分析了测量关键技术，并通过实际测量，列举了一些典型LED产品的光电-温度 特性，供大家参考。

1引言

凭借体积小、安全低电压、寿命长、电光转换 效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性，赋有“绿 色照明光源”之称的LED和OLED等固态照明产品， 不断从传统的室内外照明领域向汽车照明、手机闪 光灯等领域进行渗透。众所周知，LED在工作时所 消耗的功率会部分转化为热能，导致其温度上升， 而LED的光输出存在较强的温度依赖性，不同的结 温下，其发光光谱、光通量等参数会发生显著变化， LED的光衰和寿命也会受到影响。

LED封装厂商一般在常温下采用脉冲模式进行 LED光色参数的测量和指标宣称，此时LED的结温 近似于25勾。而在终端产品中，LED持续工作，其 结温远远高于25龙，特别是大功率LED的结温甚 至高达100T以上，此时的LED光输出远低于25T 度的情况，而且颜色也会发生较大偏移。LED封装 厂商与下游的LED产品制造商存在“鸿沟”。针对 这一问题，LED封装厂商会提供一些设计指导，而 下游制造商也会根据经验釆用转化系数，评估LED 在高温下的光色特性，但是LED受芯片、荧光粉 和封装工艺等的影响较大，这些高低温转换系数并 不能完全固化，而且不同厂家、不同型号和批次间 的LED封装差异可能更大，很难通过转换系数来准 确评估高温下的光色特性，严重影响最终产品的质 量控制。因此，对于LED封装，尤其是大功率LED进行高温下的光电特性测量尤显得为重要。

2大功率LED的温度参考点选择

为了测量和评估LED产品在高温下的光色性 能，首先需要确定温度参考点，根据LED的类型， 参考点的可选项包括“壳温”、“管脚温度”、“电 路板温度”、“焊点温度”或“热沉温度”。这些 参考点对于某种特定LED封装重现相同的条件是有 用的，但是这些不同方法的测量结果是不能相互比 较的，而且由于这些温度参考点和温度传感器之间 存在未知的接触性电阻，因此很难做到参考点温度 的准确测量。此外，由于热边界条件没有被完全确定， 仅仅对这些参考温度进行控制是不能保证良好的热 环境条件向。

因此，有必要选择重复性强、可量化、可比较的参数作为LED封装测量的温度参考点。恒定电流下，LED的正向压降与其PN结的温度呈线性关系， 而且可通过测量LED的正向电压来得到LED的结 温，因此，从测量的角度出发，结温是获取可重复 测量的理想温度参考点，可广泛用于所有类型的 LED。

3高结温下的光色电测量方法

为了使光源制造商和终端用户的测量数据达到 统一，北美标准和CIE技术文件提出通过控制结温 (50t -loot )在脉冲模式和DC模式下测试其光 色电参数的方法,可测量的光色参数包括总光通量、 总辐射通量、总光子通量、电功率、光效、颜色等， 结温控制方式可采用环境温度或温控平台(TCP) 温度控制，但是由于对环境温度控制的要求比较严 格，一般推荐采用TCP控温方式。

3.1脉冲模式测量

脉冲模式下的测量方法可分为单脉冲和连续脉 冲测量。此测量方法需要一脉冲电流源和可测量脉 冲辐射的光度和色度的快速光学测量仪器。

(1)单脉冲测量

单脉冲测量模式下，通常是向待测样品(DUT) 施加矩形形状的单脉冲额定电流，在脉冲宽度内进 行快速光学测量，如图2所示。测量过程中，可通 过温箱或控温平台对结温进行控制。DUT处于关闭 状态至于温控平台上，并将温控平台调节至指定高 温状态，温控平台的温度在1 min中内的变化不超过 ±22即认为达到热平衡条件，此时输入脉冲电流， 并在脉冲宽度内进行光学测量，如图2所示。

(2 )连续脉冲测量

连续脉冲模式测量中，控温要求与单脉冲模 式测量相同。采用多个重复的脉冲进行多次测量 是为了保证测量的重复性和稳定性。注意脉冲电 流的占空比应该足够小，以减小LED工作过程 中结温升高对测量结果的影响，一般推荐占空比 Dw/De W 1%,信号稳定时间为100ms,光学测量 仪器的积分时间应为信号周期的整数倍，如图3 所示。

3.2 DC模式测量

DC模式测量是指测量过程中封装LED保持直 流供电模式。一般使用温控平台TCP控制被测样品 的结温。首先是通过额定电流的单脉冲、多个短脉 冲进行测量或通过拟合外延V』t)热曲线至t=Os等方 式获得V』0),多个短脉冲控制结温示意图如图5所 示，且精度依次升高；其次，待测样品工作在额定 电流下，通过调节TCP温度，使等于V』0),达 到热平衡条件；最后，在此DC模式下对待测样品 进行光学测量。

4关键技术分析

综上分析可知，大功率LED的光电温度特性测 量中，最基础并且最重要的就是温度的精准控制， 但温度的控制会受多方面的影响，如脉冲电源、测 量设备等。

(1) 驱动电流的要求

不论是脉冲模式还是DC模式的测量，都基于 -个假设：脉冲信号输入过程中待测样品的结温保 持不变，结温等于TCP的温度。但对于LED来说， 随着加热电流的持续，LED内部热阻引起的结温变 化是不能忽略的，这就要求电流信号的上升沿足够 快速准确。

受技术的限制，实际的电流驱动信号并不是理 想的矩形，而是会有一个上升过冲的电流建立时间， 这个时间越长越会导致结温与TCP温差的加大。因 此，为更准确地分析大功率LED在确定温度下的特 性，LED脉冲驱动电流的上升时间要足够短，稳定 时间要足够快。对很多LED来讲，建立时间需要控 制在lOOus以内，这对于电源的设计提出了很高的 要求。

(2) 光辐射测量设备

为获得准确的光色参数，一款高精度的光辐射 测量设备必不可少，特别是对于发光光谱、光通量 等参数随温度变化敏感的LED器件的性能分析，对 光学测量设备的快速响应提出了更高的要求。有些 大功率器件甚至在as级时间内就会有很高的温升， 如果光辐射测量设备不能达到这个响应，测量结果 将引入较大误差。

采用脉冲驱动LED时，光辐射测量设备测量与 脉冲输出的同步性也将对结果产生影响。若光学测 量积分的起始时间选择不当,就可能产生测量误差， 如图5中的测量1和测量2。

5典型测量结果比较

基于以上分析，本文提出了一种主要用于大功 率LED在不同结/壳温下的光色电综合特性测试和 分析的解决方案，如图6所示，该测试系统搭配远 方具有国际专利技术的快速光谱仪，可测〈l^s的 极快闪光，并配备外置的温控平台对被测样品的温 度进行控制，配合远方专属的控温光电分析系统软 件可实现被测样品在不同结温下的脉冲模式和DC 模式的光色电测量分析。

本文采用以上测试系统对单色LED、白光LED 以及OLED分别在不同结温下进行脉冲模式和DC 模式的光色性能测试分析，典型测试结果如图7~9 所示。

通过对单色LED光色性能随结温的变化关系 进行测试，可得出：光通量随着结温的升高依次 减小，且红色LED的光通量减小趋势更严重，在 20丁~80龙范围内，竟达到40%以上；同时，结温 对不同单色LED的光效影响不同，如图7所示，绿 色LED和蓝色LED的光效随结温的升高略有增长， 而红色LED的光效则大幅度减小；另外，LED_R、 LED_G和LED_B的峰值波长随着结温的升高依次 向右偏移，二带电 压、光通量、以及光效变小，色温变大，且温度越高, 变化趋势越大；此外，相比于1WLED, 3.5W LED 的光色电性能变化趋势最大，尤其是光通量和光效 在25幻~105幻内分别达到29.52%和25.90%.

与单色LED和白光LED的测试条件类似，图9 中OLED的测量数据也是基于正向工作电流不变， 可看出，随着结温的升高，待测OLED的正向工作 电压、总光通量逐渐减小，且在ior ~50^范围内， 正向电压和总光通量的相对变化量分别达到10%和 8%以上，并且与白光LED不同的是，光效和色温 分别是单调递增和递减，这可能是与材料和工艺等特性有关。

众所周知，受发光机理和封装技术的限制， LED封装较容易出现空间光色分布不均，而且二次 光学设计后，其光色不均一般会更加严重，影响终 端照明产品的应用，因此，空间光色分布的表征对 于LED封装的质控，乃至其最终照明产品的设计都 十分重要。鉴于此，对LED进行光电温度特性分析 时，必要时也应对其空间光色性能随温度的变化关 系进行测量分析，典型的测量方案是通过集成高精 度光谱辐射计、高精度二维转台和温控平台以及精 密的LED机械定位装置为一体的空间光谱分布测试 仪在DC模式下完成。

6小结

光电性能是LED的重要指标，但它们对温度 有强烈的依赖性，为了打通LED封装厂与LED产 品制造商之间的鸿沟，更好地提升产品品质，有必要在高温下对大功率LED的封装进行测量和参数宣称。

为了确保测量的精确度和重复性，利用LED正 向电压与结温的关系，使用LED的结温作为温度参 考点更为科学客观。本文基于现有的IES和CIE标准， 介绍了在指定高结温下测量大功率LED光色电参数的方法，为了达到精准测量，脉冲电源的上升沿控 制和光电测量的同步触发极为重要，也是实现的精 确高温测量的重点。本文通过实测分析比较了几款 典型LED的光电参数随温度的变化关系，随着温度 的上升，正向电压相对减小，除蓝色LED之外，其 它类型产品的光通量也相对减小，而且蓝色LED和 OLED的光效变化趋势也与其他类型LED相反，呈上升的趋势；此外，对于白光LED和OLED的色温 变化趋势也正好相反。另外，最重要的一点是，对于较大功率的白光LED,结温越高，其光色性能变化的越厉害。

参考资料

[1] 谭艳娥，余彬海，李程等，大功率白光LED的 温度特性分析，封装材料、封装技术和器件， pl21-1270

[2] 黄艳.陈聪.潘建根，LED光源温度特性研究 及测量方法，上海照明科技及应用趋势论坛， 2013

[3] 王大建、李晟、李倩等，LED的热管理分析与 热学性能测量分析，全国LED产业发展与技术 研讨会-2014。

IES LM—85—14： Approved Method:Electrical and Photometric Measurements of High —Power LEDs.