用于LED照明產(chǎn)品壽命預(yù)測(cè)的結(jié)溫測(cè)試

DOI：10.3969/j.issn.10001565.2025.02.005

摘" 要：LED照明產(chǎn)品的使用壽命已經(jīng)達(dá)到數(shù)萬(wàn)小時(shí)，如何加速測(cè)試LED照明產(chǎn)品的預(yù)測(cè)壽命成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn).溫度應(yīng)力法預(yù)測(cè)LED照明產(chǎn)品的壽命預(yù)期接受度高，有望成為理想的加速壽命測(cè)試方法，然而，在該方法中與樣品預(yù)測(cè)壽命密切相關(guān)的結(jié)溫測(cè)試一直以來(lái)沒(méi)有很好的解決辦法.介紹了一種結(jié)電壓變化法間接測(cè)量結(jié)溫的方法，并對(duì)測(cè)試誤差可能造成的預(yù)測(cè)壽命影響作了詳盡的推算分析.

關(guān)鍵詞：結(jié)溫；結(jié)電壓；溫度應(yīng)力；加速壽命測(cè)試；溫度系數(shù)

中圖分類號(hào)：TN312""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：10001565（2025）02014809

Junction-temperature measurement for life expecpancy of LED lighting products

WU Deqi1，2， YU Bin2， ZHAO Nannan2， LI Weiting2， CHU Xiaoxing2

（1. Institute of Microelectrics， Chinese Academy of Science （CAS）， Beijing 100029， China；

2. Industrial Technology Research Institute， Henan Mechanical and Electrical Vocational College， Zhengzhou 451191， China）

Abstract： The life expectancy of LED lighting products has reached tens of thousands of hours. How to forecast LED’s life expectancy by accelerated life testing method has become a hot topic. Thermal stress method has been widely accepted and could be an ideal method for accelerating life measurement. However， how to measure the junction-temperature， which is closely related to the lifetime prediction， hasn’t been solved properly.A junction-temperature indirect test method by testing the change in junction voltage was introduced in this paper， and the possible influence on lifetime prediction caused by junction-temperature test error was analyzed in detail.

Key words： junction-temperature; junction voltage; thermal stress; accelerated life testing; temperature coefficient

LED照明產(chǎn)品作為第4代光源，具有節(jié)能環(huán)保、有利于促成綠色照明的優(yōu)點(diǎn)［1］，成為各國(guó)政府強(qiáng)力推廣使用的光源產(chǎn)品［2-4］.近年來(lái)，LED照明產(chǎn)品發(fā)展迅速，其使用壽命已經(jīng)達(dá)到數(shù)萬(wàn)小時(shí)，如何加速測(cè)試LED照

收稿日期：20231115;修回日期：20241217

基金項(xiàng)目：

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（232102210157；252102310005）

第一作者：武德起（1969—），男，中國(guó)科學(xué)院副研究員，主要從事光學(xué)探測(cè)、傳感器技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等方向的研究工作.E-mail：deqi2000@126.com;wudeqi@ime.ac.cn

明產(chǎn)品的壽命預(yù)期成為當(dāng)下備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)［5］，其中，溫度應(yīng)力老化法是LED照明產(chǎn)品最具潛力的加速壽命測(cè)試方法之一，也是目前廣為接受的測(cè)試方法［6-9］.然而，在該方法中與樣品預(yù)測(cè)壽命密切相關(guān)的結(jié)溫測(cè)試一直以來(lái)沒(méi)有很好的解決辦法［10-12］.跟其他方法相比，小電流k系數(shù)法被認(rèn)為最為

準(zhǔn)確.本文基于小電流k系數(shù)法構(gòu)建了一種結(jié)電壓變化法間接測(cè)試結(jié)溫的方法［4，13］，并對(duì)測(cè)試誤差可能造成的預(yù)測(cè)壽命影響進(jìn)行了較為詳盡的推算分析.

1" 測(cè)試原理［14］

對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的半導(dǎo)體材料，穩(wěn)流供電條件下在某一溫度范圍內(nèi)的結(jié)溫變化與正向結(jié)電壓變化滿足如下關(guān)系：

ΔUΔT=χ，

其中：χ為材料的溫度系數(shù)，有時(shí)也記做K.

可見(jiàn)LED照明產(chǎn)品的正向電壓Uf與結(jié)溫T呈線性關(guān)系，即Uf=χ·T+A.換言之，給某LED照明產(chǎn)品通以穩(wěn)恒電流I0，通過(guò)測(cè)量不同結(jié)溫下的電壓值，便可以通過(guò)直線擬合的方法得到溫度系數(shù)χ.有了溫度系數(shù)，在某個(gè)環(huán)境溫度下通以工作電流I使LED照明產(chǎn)品正常工作，通過(guò)快速切換至測(cè)試電流的方法點(diǎn)測(cè)結(jié)電壓，再根據(jù)結(jié)電壓在工作前后的變化可計(jì)算出結(jié)溫的變化，便可間接地得到工作狀態(tài)下的結(jié)溫大小，此方法能夠方便地了解到對(duì)應(yīng)于任何環(huán)境溫度應(yīng)力下的結(jié)溫值.

2" 測(cè)試參考標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)試應(yīng)該具備的基礎(chǔ)條件［15-28］

本測(cè)試方法參照J(rèn)EDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)在2012年發(fā)布的《JEDEC JESD 51-51測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》，為獲得比較理想的結(jié)溫測(cè)試值，應(yīng)該具備如下測(cè)試條件：

1）采用輸出精度達(dá)到微安量級(jí)的穩(wěn)流源作為測(cè)試電源；

2）使用測(cè)試精度達(dá)到0.1 mV的電壓表，采用四線法測(cè)試結(jié)電壓；

3）實(shí)驗(yàn)樣品放置在控溫精度小于0.5 ℃的環(huán)境溫度箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

4）所使用的實(shí)驗(yàn)樣品至少經(jīng)過(guò)24 h老化；

5）電壓表讀數(shù)延遲時(shí)間tMD小于50 μs，測(cè)試時(shí)間為30～120 s；

6）溫度系數(shù)的校準(zhǔn)至少選取3個(gè)溫度點(diǎn)；溫度跨度不小于50 ℃；

7）測(cè)試樣品的功率大于0.5 W，光效高于5%；

8）最為關(guān)鍵的一點(diǎn)在于：測(cè)試電流IM必須足夠大，以保證獲得準(zhǔn)確可靠的正向電壓降，并不受表面泄漏電流的影響；同時(shí)IM又必須足夠小，以保證被測(cè)樣品的自身發(fā)熱不會(huì)太嚴(yán)重.

3" LED照明產(chǎn)品的結(jié)溫測(cè)試方法

結(jié)電壓變化法測(cè)試LED照明產(chǎn)品結(jié)溫的電路示意如圖1所示.采用恒流源給恒溫箱內(nèi)的測(cè)試樣品供電，使用單刀雙擲開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)結(jié)電壓的點(diǎn)測(cè).

3.1" 溫度系數(shù)χ值的標(biāo)定

1）將LED待測(cè)樣品置于溫度TA的恒溫箱中足夠長(zhǎng)時(shí)間，使其達(dá)到熱平衡，此時(shí)的結(jié)溫TjA=TA.

2）為保證測(cè)量的溫度穩(wěn)定性，采用熱效應(yīng)可略的小測(cè)試電流，快速點(diǎn)測(cè)這時(shí)的LED樣品結(jié)電壓UfA.

3）將LED置入溫度Tb（大于TA）的恒溫箱中足夠長(zhǎng)時(shí)間至熱平衡，此時(shí)的結(jié)溫TjB=TB.

4）重復(fù)步驟2），測(cè)得這時(shí)的結(jié)電壓UjB.為了減小隨機(jī)誤差，可多測(cè)一些溫度點(diǎn)的結(jié)電壓Uf值，每一溫度點(diǎn)恒溫時(shí)間至少30 min.建議測(cè)量中樣品的溫度變化范圍選為30～90 ℃，步長(zhǎng)10 ℃.

5）直線擬合得到各電流下的溫度系數(shù)χ值，取其平均值作為該LED樣品的溫度系數(shù).

3.2" 測(cè)算各環(huán)境溫度下LED照明產(chǎn)品的工作結(jié)溫

1）將樣品置入溫度TA的恒溫箱中，輸入額定電流IF使其在工作狀態(tài)下自加熱；

2）維持恒定加熱電流足夠長(zhǎng)時(shí)間至LED工作熱平衡，此時(shí)的結(jié)電壓Uf達(dá)到穩(wěn)定；

3）快速切換至測(cè)試電流If，并立即進(jìn)行3.1中步驟2）的操作，測(cè)量這時(shí)的結(jié)電壓Uf，則有：結(jié)電壓變化為ΔUf=Uf-UfA，結(jié)溫變化為ΔTj=Uf-UfAχ，可推算出環(huán)境溫度TA時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)溫為：Tj=TA+Uf-UjAχ.

4" 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及測(cè)算結(jié)果

考慮到企業(yè)給出的LED產(chǎn)品溫度系數(shù)是一個(gè)范圍值，僅能作為參考，不能直接用于測(cè)試結(jié)溫，結(jié)溫測(cè)試實(shí)驗(yàn)分2步進(jìn)行.首先標(biāo)定LED產(chǎn)品的溫度系數(shù)，在此基礎(chǔ)上再測(cè)試不同環(huán)境溫度下的LED結(jié)溫.選用7只經(jīng)過(guò)老化的陽(yáng)光BPZ 220/5W JA55球泡燈作為待測(cè)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體老化方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)［29］.該樣品被置于上海愛(ài)斯佩克環(huán)境設(shè)備有限公司生產(chǎn)的高低溫交變濕熱實(shí)驗(yàn)箱中.穩(wěn)流源選用穩(wěn)流精度pA量級(jí)的KeiThley 2400直流穩(wěn)壓穩(wěn)流源，電流取值0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mA進(jìn)行溫度系數(shù)標(biāo)定；電壓測(cè)試選用有效數(shù)字可以精確記錄到0.1 mV的電壓表；采用輸出電流1 mA點(diǎn)測(cè)結(jié)溫，并進(jìn)行兩線法和四線法的測(cè)試對(duì)比.

兩線法的測(cè)試結(jié)果如圖2所示，由圖2可以看出，在各基準(zhǔn)電流下實(shí)驗(yàn)樣品的結(jié)電壓隨結(jié)溫變化呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，各基準(zhǔn)電流下的測(cè)試曲線近乎平行，表明曲線斜率大小所代表的溫度系數(shù)的差別可以忽略.實(shí)驗(yàn)中取各基準(zhǔn)電流下溫度系數(shù)的平均值作為該樣品的溫度系數(shù)，3個(gè)樣品溫度系數(shù)的平均值作為該產(chǎn)品的溫度系數(shù).

對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到該款陽(yáng)光球泡燈的溫度系數(shù)和結(jié)溫測(cè)試數(shù)據(jù)如表1和表2所示.

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，對(duì)3個(gè)樣品在各基準(zhǔn)電流下測(cè)得的溫度系數(shù)取平均值，得到樣品A、B、C的溫度系數(shù)分別為-1.054 29、-1.073 57、-1.074 29 mV/℃.計(jì)算得知3個(gè)樣品溫度系數(shù)的平均值為-1.067 4 mV/℃，將這個(gè)數(shù)值認(rèn)定為該產(chǎn)品的溫度系數(shù).

由表2可以看出，3個(gè)樣品在相同的環(huán)境溫度下所對(duì)應(yīng)的結(jié)溫相近，差值較小，說(shuō)明此測(cè)試方法是合理的.而且在環(huán)境溫度30 ℃下，所測(cè)樣品A、B和C的結(jié)溫分別為78.72、84.34、80.59 ℃，平均值為81.22 ℃，這與廠家提供的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)80 ℃左右很接近，再次驗(yàn)證了該測(cè)試方法的可行性.

為了減小誤差，采用四線法重新進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示.

根據(jù)表3中的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到樣品A在0.1、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mA基準(zhǔn)電流下的溫度系數(shù)分別為-1.276 39、-1.139 71、-1.104 36、-1.080 75、-1.064 46、-1.052 89 mV/℃，平均值為-1.119 76 mV/℃.同樣得到樣品C在各基準(zhǔn)電流下對(duì)應(yīng)的溫度系數(shù)分別為-1.276 64、-1.139 93、-1.104 46、-1.080 64、-1.061 75、-1.048 25 mV/℃，平均值為-1.118 61 mV/℃，2個(gè)樣品的溫度系數(shù)平均值為-1.119 mV/℃.

眾所周知，四線法較之兩線法消除了引線和接觸電阻的影響，測(cè)試的結(jié)電壓較為真實(shí).在四線法的測(cè)試中電壓值有效數(shù)字可以精確記錄到0.1 mV，兩線法僅精確到了10 mV.精確的測(cè)試顯示，溫度系數(shù)隨基準(zhǔn)測(cè)試電流的增加略有增加，變化量在2%左右，完全可略.測(cè)算出該款產(chǎn)品溫度系數(shù)為-1.119 mV/℃，這一測(cè)量結(jié)果與使用大華DH1719A-3型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流源四線法所得結(jié)果較為一致（-1.116 mV/℃），也證實(shí)了測(cè)試方法的可重復(fù)性.上述測(cè)試結(jié)果說(shuō)明結(jié)電壓的測(cè)試應(yīng)該使用四線法，以避免引線和接觸電阻的影響.

此外，在結(jié)溫測(cè)試過(guò)程中還進(jìn)行了帶球泡和不帶球泡的結(jié)溫測(cè)試對(duì)比，工作電流1.0 mA，結(jié)果如表4和表5所示，測(cè)試所使用的樣品如圖3所示，該款照明產(chǎn)品采用的是10個(gè)燈芯的串聯(lián)模式，故而每個(gè)燈芯上分配的電壓為端電壓的1/10.

測(cè)算得知：不帶球泡的樣品對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度30 ℃時(shí)，其結(jié)溫平均值為63.8 ℃，而帶有球泡的樣品對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度30 ℃時(shí)，其結(jié)溫平均值為78.91 ℃，造成這種差別的原因在于沒(méi)有球泡的樣品散熱較快，致使結(jié)溫變低.帶有球泡的樣品結(jié)溫78.91 ℃與廠家給出的結(jié)溫80 ℃左右比較吻合，側(cè)面證實(shí)了本文測(cè)試方法的可行性和正確性.

6" 誤差分析與討論

在上述測(cè)算的基礎(chǔ)上分析了結(jié)溫測(cè)試誤差，并分析了由此引起的樣品加速壽命預(yù)測(cè)值的誤差大小.

令Q=f（x，y，z），由于在測(cè)試過(guò)程中變量x、y、z分別存在測(cè)試誤差ξx、ξy、ξz，那么Q值的間接測(cè)量誤差可以表示為

ξQ=Qx2ξ2x+Qy2ξ2y+Qz2ξ2z.

在本實(shí)驗(yàn)中，溫度系數(shù)可作如下標(biāo)定，溫度系數(shù)k=u-u0T-T0，所以ku=1T-T0，KT=-U-U0（T-T0）2，溫度系數(shù)測(cè)試的結(jié)電壓誤差ξu小于0.000 3 V，溫度實(shí)驗(yàn)箱控溫偏差ξT小于0.1 ℃.取Δumax=u-u0=1.59 V，ΔTmin=T-T0=10 ℃.溫度系數(shù)的最大誤差可表示為

ξK max=Ku2ξ2u+Ku2ξ2T=

1ΔT2ξ2U+ΔU2ΔT42ξ2T=

1102×0.000 32+1.592104×0.12=0.162%，

即測(cè)算的溫度系數(shù)誤差最大不超過(guò)0.162%.針對(duì)結(jié)溫測(cè)試，（此時(shí)結(jié)電壓的讀數(shù)誤差出現(xiàn)在百分位上，按其誤差為0.1 V計(jì)算結(jié)溫的最大誤差值）.此時(shí)，ΔUmax=0.39 V.

由T-T0=1K（U-U0），TK=-1K2·（U-U0），TU=1K，可得到

ξT max=TK2·ξ2K+TU2·ξ2u=

0.3921.1194×10-4+11.1192×0.12=0.089 （℃）

也就是說(shuō)，測(cè)算的結(jié)溫誤差最大不超過(guò)0.1 ℃.

實(shí)驗(yàn)推算得到激活能E大約為0.54 eV（資料給出SiO2-Si系列材料的最大值為1.4 eV，化合物材料最大不超過(guò)1 eV），溫度T取80 ℃（350 K），k=8.617×10-5eV/K，溫度偏差按ξT=0.1 K.根據(jù)L=AeEKT，最終預(yù)測(cè)LED照明產(chǎn)品預(yù)測(cè)壽命值的誤差為

ξL max=-ELKT2ξT=0.54×L（80+273）2×8.617×10-5×0.1=5.029‰ L，

即預(yù)測(cè)壽命由于結(jié)溫測(cè)試不準(zhǔn)帶來(lái)的誤差在5‰左右，最大不會(huì)超過(guò)1%.

7" 結(jié)論

通過(guò)上面的討論發(fā)現(xiàn)，最終的預(yù)測(cè)壽命誤差主要來(lái)源于恒溫箱的溫度精度.此外，如果能夠改用占空比較小的脈沖穩(wěn)流源供電，結(jié)溫測(cè)試時(shí)電壓值的讀數(shù)將更方便，讀數(shù)誤差將會(huì)更小，能夠進(jìn)一步減小測(cè)算誤差.本文介紹的LED照明產(chǎn)品結(jié)溫測(cè)試方法方便可行，為采用溫度應(yīng)力的LED照明產(chǎn)品加速壽命研究奠定了較好的基礎(chǔ).

參" 考" 文" 獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：孟素蘭）