LED加速壽命試驗中光衰、結溫原位測試系統


 
    摘要:為了更好地理解高功率發光二極管可靠性問題,在線測試是加速壽命試驗的關鍵。在本文中,提出了一種用于原位測量的實驗設備來評估LED的光學性能的劣化。照度和相關色溫的信號是由耐熱光纜傳送,最后被高精度探測器收集。多通道輸出能夠同時測量多個樣品。測量距離的優化是通過射線追蹤法進行,并且同時能夠測量光輸出特性。加速壽命試驗還表明,系統誤差小于0.2%,且測量設備的不確定度可以控制在2%以內。LM-80測試標準的比較實驗也顯示了實驗數據與參考值之間有很好的一致性。
 
引言
   可靠性問題已成為阻礙高功率LED廣泛應用一個巨大的瓶頸。一般地,需要一個數千小時的測試來評價產品的耐老化性能,然而這么長的測試時間對于制造商來說是很難實現的。到目前為止,加速壽命試驗已成為眾所周知的能降低評價時間的有效方法,其關鍵是找到在極端條件下衰減過程的特點。通常在加速壽命試驗中連續循環的使用應力參數。
現在主要是基于離線測試的方法來測試LED光學參數的可靠性。然而,在此過程中,濕度、溫度等隨時間變化的測試條件是不可控的。此外,LED芯片的表面很容易被污染,并且芯片在移動過程中表面容易出現劃痕,因此LED的發光特性可能受到嚴重影響。因此,提出了原位測量LED參數的技術。
總的來說,目前的測試技術有效的提高了LED光學檢測的速度與精度。然而,在對LED的可靠性評估原位測量技術方面仍然很少涉及。特別的,照度和相關色溫作為可靠性評估的關鍵參數,應該被實時監控。
在本文中,提出了一種原位測量方法的模型,它用于LED光衰減可靠性實驗的測量。在室溫條件下,用一個手動裝配夾具來調整用于傳輸光的耐熱光纖和LED裝置,使其同軸對準。對于大功率LED的局部照度和相關色溫的測量則需要特殊的結構。光學參數可以通過設計的系統在不同的可靠性測試環境中連續不斷的測量。
 
二.系統設計
   圖1說明了本原位實驗設備用于LED老化測試。它主要由用于光傳輸的器件、耐熱光纜、感應檢測器件和光度、色度測量系統組成。設備檢測的局部照度和相關色溫數據傳輸到主計算機。為了體現測試樣本的統計特性,五個輸出通道設計可以同時測量多個不同個體樣本。光學參數通過數字光電積分法的標準光電探測器收集,并且它遵循的要求由CIE127-2007設置。

圖1實驗設備用于測量LED的光衰減
(一)光傳輸器件(二)耐熱鎧裝電纜
(三)感應檢測器件(四)光度和色度測量系統。
 
   在測試過程中,每個LED的樣品被安裝在光源基座上,然后被放置在加速壽命試驗環境下進行測量。 LED發出的光由耐熱的鎧裝電纜傳送,并最終被感應檢測器捕獲。光源和檢測器的固定裝置分別被放置在不透光的裝置中,在裝置內壁中設計了一些矩形細孔。我們使用這種結構,以保持相同的溫度、濕度和外界環境。被測試的LED和光纖入口之間的距離是可調節的,以適應不同的光源。
   在測試過程中,每個LED的樣品被安裝在光源基座上,然后被放置在加速壽命試驗環境下進行測量。 LED發出的光由耐熱的鎧裝電纜傳送,并最終被感應檢測器捕獲。光源和檢測器的固定裝置分別被放置在不透光的裝置中,在裝置內壁中設計了一些矩形細孔。我們使用這種結構,以保持相同的溫度、濕度和外界環境。被測試的LED和光纖入口之間的距離是可調節的,以適應不同的光源。
   圖2示出了本設備的最終原型。鎧裝電纜是Y型結構,它具有單端輸入,雙端輸出的功能,如圖2(a )所示 。一束光纖被分成兩部分。通過測量每根光纖的發光強度,將它們相互對接。至于鎧裝電纜,入口和出口面的直徑分別為10毫米和7毫米。它主要由耐熱耐麿材料制成,可穩定工作于-40 ℃到200 ℃之間 。它的特性和耦合效率對于測量系統的準確度起了關鍵作用。從鎧裝電纜的出射面發出的光分別被照度計和色度計檢測。光度計的光譜靈敏度,主要是由波長選擇濾波器決定,它是由人眼在日光照明下相對光譜響應來確定的。光譜響應度是由發光二極管的光譜響應度和光譜濾波器的透射率的乘積決定的,它可作為光在濾波器與檢測器之間相互反射的實質而被校準。該濾波器與散熱片接觸,并且它是恒溫的,所以檢測器在室溫下能夠良好的匹配。所檢測到的局部照度與光電流成正比,從而把頻率信號與調到與當前頻率相一致 。作為CCT的測量,其原理是類似于局部照度檢測。三個獨立的檢測器分別具有不同的濾色器,以使它們可以匹配其光譜響應的CIE- 1931標準曲線。

圖2 在線測試原型
 
   為了獲得良好的測試數據,手動測試夾具可以使得測試光源、檢測器與鎧裝電纜的入射端和出射端保持同軸。圖2(b)所示即為測試夾具,它主要由固定臺座,器件夾具座,滑動軸,十字螺絲,螺旋彈簧組成。光源和入射面之間的距離可以通過交叉螺釘進行調整,而最長的距離是由螺旋彈簧的長度來決定。
   可以發現,測量誤差主要是由小變排量引起的。特別的,在光纜和傳感器表面的應力負荷可影響測試結果。當材料被加熱或冷卻,該裝置夾持器使得裝置周圍產生均勻的應力。耐熱軸承是用來減少環境壓力下的相對位移。
   在此設備中,光學參數由多通道數據采集系統采集,如圖2( c)所示。對于每個通道,來自檢測器的頻率信號被分別連接到頻率 - 電壓轉換電路上,并且頻率值在1kHz〜 20kHz的范圍內變化。頻率信號是脈沖信和,首先將其輸入到一個單向的電壓比較器中,計時電路是由脈沖的下降沿觸發的。當頻率變化時,該脈沖是由一個RC網絡鑒別。平均輸出電流由 確定。它是時間常數因子,它的值是由RC網絡決定。為了提高測量精度,運算放大器既提供了一個緩沖輸出,又作為一個2極濾波器使用,平均電流被轉換為電壓信號。在1 kHz以上的所有頻率的波峰小于5mV。 STC11F08XE的微控制器單元用于實現多通道數據采集。系統測試表明,五個通道同時操作時,最短的采樣時間約為2秒。
局部照度按下面的公式計算
  (1)
   其中 是光電流,這是由檢測器內的硅光電二極管產生的。 被看作探測器的標定函數。因為輸入輻射通量在可見光范圍內與光電流具有良好的線性關系, 可以根據平方反比定律[14]而獲得。通過改變檢測器及已知發光強度的標準光源之間的距離,照度與光電流 的變化關系可以校準。顏色分為三個參數,可以通過光三刺激理論進行校準。色品坐標可以直接測量,CCT也可以容易地得到。
它強調的是原位測量設備必須在整個測試期間是固定的。一旦改變測試樣本,或重新安裝鎧裝電纜,小可變排量將導致較大的不確定性,測試結果也將不可信。

三.系統優化
   光纜是原位測量系統的關鍵部分。其耦合效率決定了總的實驗設備的準確性。當被測試的光源和鎧裝電纜的入口端面之間的距離過遠時,由檢測器接收到的光通量會過于細小,而難以準確地檢測。然而,如果距離太近,LED樣品不能被近似為一個點光源。在這種情況下,光源被認為是一個擴展光源,并且平方反比定律不再適用。因此,由檢測器測量的照度和色溫是極其依賴于精確的測量條件的。另外,鎧裝電纜出射端面和檢測器之間的距離也應根據檢測器的入射孔徑、光纜的輸出光束發散來考慮?傊,系統優化是提高測試精度。

圖3LED芯片,光纖光纜和檢測器之間的距離優化建模
在建模中,光纜是理想化的模型。圖3示出了光纜。它是由成千上萬的光纖組成。光纖主要包括纖維芯和包層,并且其直徑在20um的和50um的之間。光纖的數值孔徑( NA)為0.54,接收角是65度。 LED芯片具有1毫米× 1毫米× 0.1毫米的標準尺寸,其輻射功率被假定為1瓦特。為了簡化本系統數值模型,Y型光纜被作為單獨的光纜。光纖捆綁在一起組成圓柱形,并且纖(用于匹配LED芯片中的測量設備的中心)的機械軸應與光軸重合(這是空間分布的旋轉對稱軸) 。所LED芯片和光纜的入射端面之間的距離沿光軸向調整。局部光通量與局部平均強度分布的特性在圖4中進行了描述?梢钥闯,增加的距離導致了歸一化的相對通量呈指數下降,但配光曲線最似于朗伯形分布。比較距離光通量和距離強度分布的函數,可以發現用于測試的最佳位置為12mm 。
因為該出射端面和入射端面在理論上是垂直于LED模塊的光軸,光纜可以被看作是一個微結構的光學平面,其端面結構如圖5(a)所示。對于電纜的旋轉對稱結構,光出射表面在理論上是正比于該入射面的。局部光通模擬如圖5(b)所示。歸一化的輸出大約是2.3123%,光纜的耦合效率可以計由下式計算得到
      (2)
其中 和 分別是入射面和出射面的光強照度。,當所接收的表面具有相同的面積時,它們是正比于入射面和出射面的光通量的。
但應注意的是,Y型光纜出射表面的實際面積只有入射面的一半,在模擬結果的基礎上,假設從出射面射出的光完全被檢測器接收。因此,檢測器和電纜之間的距離可以通過出射面的數值孔徑來確定。由于出射表面通過測量獲得的發散角大約為32度,因此這個系統最適合的距離為5mm左右。

圖4 歸一化的部分光照度和和光纜輸入面的光強分布
圖5輸出的模擬光纖(一)基于微觀結構出射面(二)光纖出射端面的照度圖

四.實驗驗證
    通過四個實驗來評價目前的原位測量方法。商用大功率藍光LED芯片已被研究。在額定正向電流350mA和1瓦的電功率下峰值波長大約為456nm 。LED芯片被焊接在銅散熱基板上,以常規方法封裝。根據LM- 80測試標準, LED總光通量應該被用來評估LED的性能。為了校準我們的設備標定的LED 局部光強與二極管芯片總光通量之間的關系,使樣品在各種電流下工作,并且總光通量由高精度陣列光譜輻射計組成的積分球內( HAAS計量2000年,杭州遠方有限公司)測量得到 。它響應曲線如圖6所示,從圖中可以看到,當電流為350mA 時,測試照度約為1385.1lx ,總光通是15.39lm ,這兩個參數之間的關系可以表示為
           (3)
   其中 是總光通量, 是測量的光強度。 是相對光通量, 檢測器的開口面積。根據測試數據,傳遞系數 是常數,其值是0.0111 。另外,測量照度和總通量之間呈線性關系。系統的光輸出效率達到2.2 % 。計算330毫安的電流下的最大偏差,相對誤差高達1.4 %,而標準偏差約為0.93 %。
圖6  局部照度和總光通量之間的關系。
 
為了分析測量的有效性,藍色LED模塊被放置在恒溫室中,并在350mA的正向電流下工作。高加速壽命試驗中使用的溫度為恒溫125 ℃,歸一化相對照度的數據采集時間間隔30秒,如圖圖7(a ) 。從圖中可以看出,相對于照度的衰減在100小時之內達到了2.5%。從圖中可以發現,光輸出的數據有一個突然的下降,而在其余時間,則測試數據圍繞某個值波動。圖7(a )示出了系統誤差約為0.2% ,檢測器引起的隨機誤差約為0.02%。圖7( b)所示為溫度循環壽命試驗的數據,其中高溫為125 ℃,低溫為-20℃的測試數據。結果表明光輸出相對于溫度的交替變化有良好的瞬態響應。通過從100到150小時的老化時間中選擇曲線的峰值和谷值,測量的不確定性可以寫成
                     (4)
其中的標準偏差 是根據峰值和谷值計算得到的,其值是1.3%。系統的不確定性 被視為系統的標準偏差。這容易得到為 .。

圖7要在高加速壽命試驗中相對光輸出的原位測量實驗(a)在恒溫125℃下的光衰減(b)在循環溫度試驗中的瞬態響應
一個對比實驗用來討論目前的原位測量和移位測量與隨后的LM-80測試標準之間的測試結果的差異。從上述商業白光LED模塊中選擇十個樣品,分別在350毫安正向電流和55℃的溫度條件下進行測量,樣品起始結溫為105℃,分別用原位測量與移位測量的方法測量樣品的光通量。被測試的數據進行平均化和歸一化處理后得到原始樣品的初始值。圖8所示為6000小時連續照明曲線。結果發現,這兩條曲線具有相同的降級模式,但是由原位測量得到的光強衰減具有更好的連續性和較小的測量不確定度。顯然,原位測量技術相對于破壞機理來說,高的捕獲率是有用的。
 
圖8根據LM-80標準的原位測試和離線測試的衰減曲線的比較。
 


技術文檔下載:技術文檔下載