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【摘 要】LED作为一种全新的光源技术，其应用越来越广泛。怎样去测试LED的性能及使用寿命，一直受到行业和各使用部门的关注。本文就基于LED本身的发光原理，关键特性参数以及常见的使用环境去模拟测试出LED的寿命，从而给相关行业和部门以技术参考。
【关键词】LED; 输入功率; 寿命; 性能测试; 光输出功率; 加速老化; 积分球; 光谱曲线
一、概述
LED（Light Emitting Diode），又称发光二极管，它是利用固体半导體芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的光强而引起光子发射产生可见光，具有高亮度、长寿命、高效节能等显著优点。基于目前的半导体制造技术，LED输入功率中只有大约5%～10%的能量转化为光能，其他的则转化为热能。很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，这样大的驱动电流会产出较高的热量。如果LED器件和灯具的热系统或散热结构设计不完善，从PN结到LED外部环境（及空气） 的热阻大，导致PN结结温过高，LED 芯片将快速劣化、器件寿命缩短。资料显示在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1%左右。因此对于大功率LED器件或灯具来说，热学特性、老化特性等越来越受到关注。
当LED，尤其是大功率LED应用在照明领域时，许多技术特性都是传统照明光源所不具有的，其光特征与白炽灯和荧光灯具有很大的区别，即使LED光源本身，灯具结构和LED分布也不相同，可以采用单颗LED，也可以采用多LED集成，加之大功率LED光源产品种类的发展迅速，表现出许多特殊的发光特性。同时由于目前LED还处于技术发展阶段，大功率LED的散热、稳定性等问题尤其突出，分析发光特性的同时必须考虑温度影响以及老化因素，需要全面综合的测试分析手段。因此不能套用以前传统光源和基本LED标准，测试方法无法简单统一。
二、常用LED性能测试参数
1.光度参数
1.1 光通量
光源在单位时间内所发出的光量称为光源的光通量，表示光源所有的光输出量。要准确地测量LED的光通量，必须要把所有发射的光辐射能量收集起来，然后用合适的光探测器把它们线性地转换成光电流，再通过定标确定被测量的大小。在LED光通量测试装置中，被测LED器件放置在积分球内，发射的光辐射经积分球壁的多次反射，导致产生一个均匀的与光通量成比例的面出光度，一个位于球壁的探测器测量这个面出光度，即可换算得到光通量。
1.2光谱特性
LED的光谱是以自发发射为主的光谱，我们测量的是在可见光区域内每个波长时的光谱功率数值，即发光的相对光谱功率分布（发光光谱）曲线。光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长称为发光峰值波长，光谱曲线上半光强点所对应的波长差成为线宽。
2.色度参数
颜色感觉是由于光辐射源的或被物体反射的光辐射作用于人眼的结果。因此，颜色不仅取决于光刺激，而且取决于人眼的视觉特性。关于颜色的测量和标准应该符合人眼的观测结果。但是，人眼的颜色特性对于不同的观测者或多或少会有差异，因此要求根据大量的观测者的颜色视觉实验，确定一组为匹配等能光谱色的三原色数据——标准色度观测者光谱三刺激值，以此代表人眼的平均颜色视觉特性，用于色度学的测量和计算。
色度坐标的计算要计算LED器件的色度坐标及其它参数，如果已知器件的光谱功率分布，则可以按下式计算：
（1）
从光谱功率分布曲线，除了计算色度坐标，还可以计算得到其它的色度参数，包括主波长、色温、色纯度等。
3.热学特性
LED的基本结构是一个半导体的P-N结。当电流流过LED器件时，P-N结的温度将上升，严格意义上说，就把P-N结区的温度定义为LED的结温。由于器件芯片均具有很小的尺寸，通常将LED芯片的温度视之为结温。
热阻是导热介质两端的温度差与通过热流功率的比，单位为℃ /W或K/W。
三、加速老化测试技术
在特定实验条件下，LED输出光功率降为开始时输出光功率的50 %所耗费的小时数作为该实验条件下LED的寿命。通常计算LED 的寿命有三种方法：普通条件实验外推法、温度加速寿命实验法和电流加速寿命实验法。下面主要介绍后面两种加速老化的方法：
1.温度加速老化实验。
LED通以恒定的工作电流放在恒温干燥箱里进行温度加速老化实验，恒温干燥箱的箱内温度保持在较高温度，例如80℃。每隔一定时间测量实验样品LED的光、电特性数据，根据老化的情况确定测量周期。可依据如下经验公式（阿列纽斯关系）计算其寿命：
（2）
其中，是器件的激活能，单位是eV;k是波尔兹曼常量，为0. 861 7 ×1024 eV /K;T是绝对温度，单位是K;C是器件的常数和时间有相同的单位;e是自然常数。只要测得LED在温度T、T′下光通量达到开始值一半时所经历的时间t以及t′， 根据（2）式可以得到下面的公式（3）求出器件的激活能值：
（3）
并根据（3）式预测在其他工作环境（温度），包括正常工作温度条件下LED的寿命。
2.电流加速老化实验
在正常工作温度条件下，选择LED通以恒定的实验电流，其大小可选为正常工作电流的1.5 倍、2倍或3倍，对所得数据按照适当的模型进行拟合，计算每组器件的光输出功率的衰减率，可以推算器件在正常工作条件下的半衰期。
与温度加速老化实验一样，也是每隔一定时间将实验样品取出在正常工作环境下测量一次LED的光、电特性数据，测量时取正常的工作电流。
在电流加速老化实验条件下，LED器件的输出光功率L随时间t的变化近似呈指数衰减，器件在不同的电流下，其光输出功率按照各自的衰减率递减。 L = L0·e-αt （4）
式中，L0为归一化初始光功率，α是光输出功率的衰减率。
器件寿命与电流的关系可由公式（5）表达。式中t0和t2分别是器件工作在电流为I0和I2（室温）条件下的寿命。n是经验常数，为焦尔热的函数。在低电流工作、忽略焦耳热的情况下，n值大约为2。在大电流工作条件下，焦耳热的存在使得n值偏高。
t2 = t0（I2/I0）-n （5）
四、加速老化特性测试
在此我们选用由LUXEON生产的型号为5105LXHL1W1D的1W的LED光源，将其放入到30cm积分球内，分别采用温度和电流两种加速方法进行老化实验。实验结果及分析如下：
1）温度加速老化实验。用前面所讲到的半导体加热装置对LED光源的散热片进行加热，让其温度达到且维持在100℃，进行老化特性测试。随着工作环境温度的快速升高，光通量快速降低，光通量与温度的变化呈线性变化;主波长和峰值波长都出现一定程度的红移现象;色温先急升后平稳下降。
LED光源的温度加速老化实验的光谱曲线变化较明显，峰值波长出现红移现象;光谱两边出现较大程序的下移现象。
2）电流加速老化实验。提高LED光源的工作电流至1.5倍，进行老化特性测试。光通量出現一定程度的下降，光通量与温度的变化呈线性变化;主波长和峰值波长变化不明显;色温缓慢下降。
LED光源的电流加速老化实验的光谱变曲线变化不大，峰值波长变化不明显。只是在光谱两边出现一定程序的下移现象。
由实验结果综合分析看出，热特性是影响LED光源特性的关键因素，LED光源随结温升高而导致光通量降低，并且光通量的变化和温度变化呈线性变化;温度升高导致色温、主波长、色坐标等色度坐标的变化;温度变化也同样引起光谱曲线与峰值波长的变化。由于LED具有长寿命的优点，因此我们认为有必要提出加速老化方法，设计采用加温和提高电流等方法做实验对比，进而找到一种行之有效的加速老化测试方法。而对电流加速老化方法其实是提高工作电流，提高PN结的发热量，从而提高了结温，归根结底也是一种温度加速老化方法。
以上实验虽然都不是完整的老化实验，因为真正的老化实验所需时间将近20000小时，即使加速老化也需要600小时左右。而我们主要是通过这些实验证明我们的实验装置是可以对LED的老化进行数据检测并记录的，并且具有较高的智能化。本测试系统基本确定大功率LED及LED灯具的电特性、光谱和光通量的测试方法。总结了完整的测试方法，关键是温度变化特性和老化特性的测试方法。提出的方案是分别测量LED样品基体散热装置和LED一定发光距离上环境温度变化，进行对比确定温度特征，设计一定的时间间隔进行综合特性老化测试。通过大量的实验验证所提出的测试方法的可行性和准确性。
参考文献：
[1] 《LED照明工程设计与施工》，中国电力出版社.
[2] 《LED封装与检测技术》，电子工业出版社.
[3] 《可靠性试验》，电子工业出版社.
[4] 《电子元器件可靠性试验工程》，电子工业出版社.
【关键词】LED; 输入功率; 寿命; 性能测试; 光输出功率; 加速老化; 积分球; 光谱曲线
一、概述
LED（Light Emitting Diode），又称发光二极管，它是利用固体半导體芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的光强而引起光子发射产生可见光，具有高亮度、长寿命、高效节能等显著优点。基于目前的半导体制造技术，LED输入功率中只有大约5%～10%的能量转化为光能，其他的则转化为热能。很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，这样大的驱动电流会产出较高的热量。如果LED器件和灯具的热系统或散热结构设计不完善，从PN结到LED外部环境（及空气） 的热阻大，导致PN结结温过高，LED 芯片将快速劣化、器件寿命缩短。资料显示在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1%左右。因此对于大功率LED器件或灯具来说，热学特性、老化特性等越来越受到关注。
当LED，尤其是大功率LED应用在照明领域时，许多技术特性都是传统照明光源所不具有的，其光特征与白炽灯和荧光灯具有很大的区别，即使LED光源本身，灯具结构和LED分布也不相同，可以采用单颗LED，也可以采用多LED集成，加之大功率LED光源产品种类的发展迅速，表现出许多特殊的发光特性。同时由于目前LED还处于技术发展阶段，大功率LED的散热、稳定性等问题尤其突出，分析发光特性的同时必须考虑温度影响以及老化因素，需要全面综合的测试分析手段。因此不能套用以前传统光源和基本LED标准，测试方法无法简单统一。
二、常用LED性能测试参数
1.光度参数
1.1 光通量
光源在单位时间内所发出的光量称为光源的光通量，表示光源所有的光输出量。要准确地测量LED的光通量，必须要把所有发射的光辐射能量收集起来，然后用合适的光探测器把它们线性地转换成光电流，再通过定标确定被测量的大小。在LED光通量测试装置中，被测LED器件放置在积分球内，发射的光辐射经积分球壁的多次反射，导致产生一个均匀的与光通量成比例的面出光度，一个位于球壁的探测器测量这个面出光度，即可换算得到光通量。
1.2光谱特性
LED的光谱是以自发发射为主的光谱，我们测量的是在可见光区域内每个波长时的光谱功率数值，即发光的相对光谱功率分布（发光光谱）曲线。光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长称为发光峰值波长，光谱曲线上半光强点所对应的波长差成为线宽。
2.色度参数
颜色感觉是由于光辐射源的或被物体反射的光辐射作用于人眼的结果。因此，颜色不仅取决于光刺激，而且取决于人眼的视觉特性。关于颜色的测量和标准应该符合人眼的观测结果。但是，人眼的颜色特性对于不同的观测者或多或少会有差异，因此要求根据大量的观测者的颜色视觉实验，确定一组为匹配等能光谱色的三原色数据——标准色度观测者光谱三刺激值，以此代表人眼的平均颜色视觉特性，用于色度学的测量和计算。
色度坐标的计算要计算LED器件的色度坐标及其它参数，如果已知器件的光谱功率分布，则可以按下式计算：
（1）
从光谱功率分布曲线，除了计算色度坐标，还可以计算得到其它的色度参数，包括主波长、色温、色纯度等。
3.热学特性
LED的基本结构是一个半导体的P-N结。当电流流过LED器件时，P-N结的温度将上升，严格意义上说，就把P-N结区的温度定义为LED的结温。由于器件芯片均具有很小的尺寸，通常将LED芯片的温度视之为结温。
热阻是导热介质两端的温度差与通过热流功率的比，单位为℃ /W或K/W。
三、加速老化测试技术
在特定实验条件下，LED输出光功率降为开始时输出光功率的50 %所耗费的小时数作为该实验条件下LED的寿命。通常计算LED 的寿命有三种方法：普通条件实验外推法、温度加速寿命实验法和电流加速寿命实验法。下面主要介绍后面两种加速老化的方法：
1.温度加速老化实验。
LED通以恒定的工作电流放在恒温干燥箱里进行温度加速老化实验，恒温干燥箱的箱内温度保持在较高温度，例如80℃。每隔一定时间测量实验样品LED的光、电特性数据，根据老化的情况确定测量周期。可依据如下经验公式（阿列纽斯关系）计算其寿命：
（2）
其中，是器件的激活能，单位是eV;k是波尔兹曼常量，为0. 861 7 ×1024 eV /K;T是绝对温度，单位是K;C是器件的常数和时间有相同的单位;e是自然常数。只要测得LED在温度T、T′下光通量达到开始值一半时所经历的时间t以及t′， 根据（2）式可以得到下面的公式（3）求出器件的激活能值：
（3）
并根据（3）式预测在其他工作环境（温度），包括正常工作温度条件下LED的寿命。
2.电流加速老化实验
在正常工作温度条件下，选择LED通以恒定的实验电流，其大小可选为正常工作电流的1.5 倍、2倍或3倍，对所得数据按照适当的模型进行拟合，计算每组器件的光输出功率的衰减率，可以推算器件在正常工作条件下的半衰期。
与温度加速老化实验一样，也是每隔一定时间将实验样品取出在正常工作环境下测量一次LED的光、电特性数据，测量时取正常的工作电流。
在电流加速老化实验条件下，LED器件的输出光功率L随时间t的变化近似呈指数衰减，器件在不同的电流下，其光输出功率按照各自的衰减率递减。 L = L0·e-αt （4）
式中，L0为归一化初始光功率，α是光输出功率的衰减率。
器件寿命与电流的关系可由公式（5）表达。式中t0和t2分别是器件工作在电流为I0和I2（室温）条件下的寿命。n是经验常数，为焦尔热的函数。在低电流工作、忽略焦耳热的情况下，n值大约为2。在大电流工作条件下，焦耳热的存在使得n值偏高。
t2 = t0（I2/I0）-n （5）
四、加速老化特性测试
在此我们选用由LUXEON生产的型号为5105LXHL1W1D的1W的LED光源，将其放入到30cm积分球内，分别采用温度和电流两种加速方法进行老化实验。实验结果及分析如下：
1）温度加速老化实验。用前面所讲到的半导体加热装置对LED光源的散热片进行加热，让其温度达到且维持在100℃，进行老化特性测试。随着工作环境温度的快速升高，光通量快速降低，光通量与温度的变化呈线性变化;主波长和峰值波长都出现一定程度的红移现象;色温先急升后平稳下降。
LED光源的温度加速老化实验的光谱曲线变化较明显，峰值波长出现红移现象;光谱两边出现较大程序的下移现象。
2）电流加速老化实验。提高LED光源的工作电流至1.5倍，进行老化特性测试。光通量出現一定程度的下降，光通量与温度的变化呈线性变化;主波长和峰值波长变化不明显;色温缓慢下降。
LED光源的电流加速老化实验的光谱变曲线变化不大，峰值波长变化不明显。只是在光谱两边出现一定程序的下移现象。
由实验结果综合分析看出，热特性是影响LED光源特性的关键因素，LED光源随结温升高而导致光通量降低，并且光通量的变化和温度变化呈线性变化;温度升高导致色温、主波长、色坐标等色度坐标的变化;温度变化也同样引起光谱曲线与峰值波长的变化。由于LED具有长寿命的优点，因此我们认为有必要提出加速老化方法，设计采用加温和提高电流等方法做实验对比，进而找到一种行之有效的加速老化测试方法。而对电流加速老化方法其实是提高工作电流，提高PN结的发热量，从而提高了结温，归根结底也是一种温度加速老化方法。
以上实验虽然都不是完整的老化实验，因为真正的老化实验所需时间将近20000小时，即使加速老化也需要600小时左右。而我们主要是通过这些实验证明我们的实验装置是可以对LED的老化进行数据检测并记录的，并且具有较高的智能化。本测试系统基本确定大功率LED及LED灯具的电特性、光谱和光通量的测试方法。总结了完整的测试方法，关键是温度变化特性和老化特性的测试方法。提出的方案是分别测量LED样品基体散热装置和LED一定发光距离上环境温度变化，进行对比确定温度特征，设计一定的时间间隔进行综合特性老化测试。通过大量的实验验证所提出的测试方法的可行性和准确性。
参考文献：
[1] 《LED照明工程设计与施工》，中国电力出版社.
[2] 《LED封装与检测技术》，电子工业出版社.
[3] 《可靠性试验》，电子工业出版社.
[4] 《电子元器件可靠性试验工程》，电子工业出版社.