Led测试的制作方法

专利名称：Led测试的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用发光二极管(LED)的照明设备，具体涉及这种设备的测试。
背景技术：
使用固态设备(例如LED)的照明正在迅猛发展。使用LED来照明比使用传统 光源具有若干优势，包括更好的光输出/尺寸比和提高的功率效率。据报道LED的平均寿命是大约50000小时，而白炽灯泡为2000小时。因此， 在难以更换的照明器材(路灯、交通信号灯)和/或由于安全原因而要求更高可靠性的器 材(车灯)中，LED是优选光源。尽管LED具有长寿命，但是像许多其他光源一样，由于老化过程，来自LED的 光输出随时间而衰减，最终导致LED失效。一般认为LED的光输出水平是其原始值的 70%时需要被更换。根据LED的工作条件，需要更换LED的时间有很大变化。目前，典型地根据固定时间安排来更换包括LED的光源。以这种方式，一些灯 还可以工作却被丢弃。还可能发生光源在其下一个安排的维护之前烧坏的情况。因此， 根据固定时间安排来维护不是照明器材的最佳解决方案，尤其对于在难以触及的地方以 及注重安全性(或成本)的照明器材来说。因此，希望了解LED的老化性能以使得能够改进使用LED的系统的设计。然 而，由于LED的设计寿命在50000小时的范围内，所以在工作条件下观测LED老化特性 是不实际的。需要一种用于LED的能够缩短测试时间而不对设备造成额外损害的加速老 化方法。

发明内容
根据本发明，提供了一种确定LED的老化特性的方法，包括(i)向LED施加电流应力脉冲；(ii)在电流应力脉冲之后，监测LED以确定由电流应力脉冲引起的发热何时已 经消散至期望水平；(iii)在发热已经消散至期望水平之后，测量LED的工作特性；以及(iv)重复步骤(i)至(iii)直到完成老化特性的确定。此方法以可再现的方式加速了老化效应，因此能够极大地减小可靠性测试所需 要的时间。此外，此方法允许提高对LED封装的制造和组装的变化以及这些变化对LED 老化效应的影响作出反馈的速度。所获得的涉及老化特性的信息可以用于设计驱动电路，驱动电路考虑随时间的 LED性能并相应地调整驱动条件。这样，通过了解不同老化程度下的光学输出性能以及 能够预测所驱动的LED的老化程度，驱动能够与任何老化程度的LED —起工作。可以通过测量LED特性以及将这些特性与在本发明的测试方法期间所获得的特 性相配来预测LED的老化程度。
当一个或多个工作特性已经达到表示LED寿命终结的阀值水平时，可以认为老 化特性的确定完成。本方法优选地还包括校准过程⑴使测量中的LED处于稳定温度；以及( )测量LED的原始性能，包括光学和电性能特性。光学和电性能特性可以包括以下项目中的一个或多个峰值波长；谱宽；以及电流-电压特性。电流应力脉冲优选地具有比LED的最大额定电流大的电流值。这样，提供了 LED的加速老化。将电流应力脉冲设计为加速老化过程。通常，存在用于加速老化的三 个参数结温度、应力电流和应力持续时间。结温度是升高了一定量的热沉温度，升高 的量是应力电流和持续时间的函数。因此，结温度取决于应力电流脉冲，但也可以通过 控制热沉温度而将结温度控制在一定程度。为加速老化，可以选择条件，例如低热沉温 度和高应力电流，或者低电流和高热沉温度。电流应力脉冲优选地具有比LED的最大额定电流大的电流值。在一个示例中， 电流应力脉冲具有在0.5A至IOA范围内的电流值，例如2A或5A，但该电流值将取决于 受测试的LED的性质。每个电流应力脉冲可以具有Is至30s的持续时间。选择电流值和持续时间以提供期望的老化而不对LED造成毁灭性的损坏。脉冲 可以足够将二极管的温度提高至比环境温度高30°C以上，或者甚至比环境温度高50°C以 上。监测LED(以确定温度)可以包括随时间监测二极管正向电压。这样，当正向 电压的导数下降至预定值以下时，就可以确定由电流应力脉冲引起的发热已经消散至期 望水平。更普遍地，当依赖于温度的参数下降至预定值以下时，确定由电流应力脉冲引 起的发热已经消散至期望水平。测量工作特性可以包括以下中的一个或多个确定高峰值波长；确定谱宽(例如半峰全宽值FWHM)；以及执行电流-电压扫描。也可以执行其他已知的分析。本发明还提供一种用于确定LED的老化特性的测试电路，包括电流源电路，用于向LED施加电流应力脉冲；温度监测电路，用于监测LED以确定由电流应力脉冲引起的发热何时已经消散 至期望水平；以及分析电路图，用于在发热已经消散至期望水平之后测量LED的工作特性。


现在将参考附图对本发明的示例进行描述，其中，图1示出了可以用在本发明的方法中的电流应力脉冲；图2示出了对图1的应力脉冲的LED响应；图3示出了当测试序列非理想时如何监测LED特性；图4示出了如何使用本发明的测试序列来监测LED特性；已经图5示出了实现本发明的方法的测试系统的光学布置。图6以一系列步骤的形式示出了本发明的测试方法；图7示出了输出强度随老化而变化；图8示出了 FWHM和峰值波长如何随老化而变化；图9示出了正向电压如何随老化而变化；图10示出了在应力脉冲之后结温度如何随老化而变化；以及图11示出了实现本发明的方法的测试系统的电布置。
具体实施例方式本发明提供了一种确定LED的老化特性的测试方法并且提供了用于执行该方法 的测试电路。本发明利用故意的应力脉冲来引起LED的老化，其中利用结温度测量/估计来 控制应力脉冲的施加。执行结温度测量/估计的不同方法是已知的，在更详细地描述本 发明之前将对这些方法进行概述。在操作期间，LED温度升高，这影响LED的光输出量以及输出光的主波长。因 此，先前已经认识到，对于控制LED具有最高性能来说，知道LED的结温度是有用的。可以使用温度测量来提供在控制LED驱动条件中使用的反馈值。典型地，使用 在位置上靠近LED的外部温度传感器来测量LED结温度。该方法的一个主要缺点是所 测量的温度不是LED结点处的实际温度(实际温度通常更高)。为补偿该误差，可以使 用复杂的热扩散模型以基于来自传感器的测量温度来预测(或推算)LED结温度。结温 度预测的精度极大地依赖于模型的质量，以及在模型中使用的参数(例如环绕LED的封 装材料的热电阻和热电容等)的精度。测量LED结温度的另一已知方法是在将恒定电流驱动通过LED的同时监测 LED的正向电压。该方法将LED本身用作温度传感器，因此节省成本并且还应当能够提 高精度。然而，通过LED的电流可以引起所谓的自热效应，自热效应使得温度读数较不 精确。避免LED的自热效应的解决方案是使用非常小的电流用于LED结温度测量。使 用小电流测量LED的正向电压意味着只能在当LED断开时进行测量。因此该方法适合 于测试过程(例如在本发明中使用的)而不太适合于实时监测过程。另一方法包括当LED在工作电流下发光时检测LED的正向电压并且将该正向电压映 射到LED的环境温度。然后通过查表方法将温度数值转化为驱动LED所需要的合适电流。本申请提出了(但还未公开)估计发光二极管的结温度的另一方法，在该方法中 将正向偏流驱动通过二极管，电流包括在高电流值和低电流值之间切换的方波。高电流 值是LED工作电流，低电流值是非零测量电流。对正向偏置电压降进行采样，以便确定在测量电流下的正向偏置电压降。然后从所确定的正向偏置电压降导出温度。该方法使 得能够使用低测量电流，但同时使得能够实时进行测量，其中在PWM控制循环的断开期 间施加低测量电流。根据本发明，向LED施加应力脉冲，通过在应力脉冲之后向LED发送电信号来 测量LED状态。使用温度监测或估计来推断应力脉冲的热效应何时减小使得仅LED的 老化会影响下一应力脉冲。这提供了可以迅速模拟LED的老化的最优化测试过程。具 体地，可以通过以下方式来最小化测试时间在应力脉冲之后监测结温度，使得一旦结 温度稳定(在热沉温度下)就可以施加下一应力脉冲。可以利用上述任何温度测量方法。测试过程不是在设备的通常使用中来进行 的，从而不需要使得在LED的使用期间能够进行温度测量(在LED的使用期间能够进行 温度测量是一些上述的已知温度测量方法的目标)。此外，结果的精度不是苛刻的，可以 在过程中建立安全余量(即，应力脉冲之间的额外时间)，以保证应力脉冲之间充分的冷 却，以及将温度估计中预期的不精确性考虑进去。因此，可见许多不同的温度测量方法 是可能的。最简单的方法是仅仅在应力脉冲之后提供恒定测量电流以及监测正向电压。本发明提供了一种确定LED的老化特性的方法，其中向LED施加电流应力脉 冲。然后监测LED的温度以确定由电流应力脉冲引起的发热何时已经消散至期望水平。 然后在施加下一应力脉冲之前测量LED的电特性。应力脉冲提供了提高的应力条件，提高的应力条件引起提高的LED结温度。热 沉温度可以保持恒定(而不提高)。因此结温度的差异反应了在该恒定的热沉温度下所经 历的寿命长度。所施加的应力电流比LED的最大额定电流大，选择脉冲的持续时间以引 起LED的老化。通过示例，对于高功率LED，可以将热沉温度提高至50°C (比20°C的典型环境 温度高30°C )以上或者甚至70°C以上，例如提高至85°C。应力电流可以在0.5A至IOA 的范围内(例如2.5A)，应力脉冲的持续时间可以在Is至30s的范围内(例如IOs)。图1示出了(使用任意单位的)应力脉冲的示例，应力脉冲具有第一持续时间的 高电流(10个单位)以及随后的低测量电流(小于高电流的1/100000)。当温度测量包含监测正向电压时(如在最简单的示例中)，在应力脉冲之后在低 测量电流下监测正向电压，直到正向电压关于时间的导数低于阀值为止。这确保结温度 已经恢复到了热沉的温度。图2示出了在施加应力脉冲期间和之后正向电压如何变化。在应力脉冲之后， 正向电压下降至第一水平。主导温度和LED的电特性都影响该水平。在图2中，正向 电压在示为25个时间单位的时间点处已经稳定。LED的电特性仅仅由设备的老化状态来 支配，而不是温度。因此，在时间25之后进行用于确定电特性的电测量。如所示，这 与正向电压的斜率已经变为0(或者已经超过了接近0的阀值)时的时间相对应。因此，在结温度大约与热沉温度相等之后，可以执行LED的特征化测量，因为 特征化将不受应力脉冲所引起的升高的温度的影响而仅仅受LED老化的影响。特征化 还可以包括光学测量和电测量以确定LED随老化的特性，例如峰值波长、谱宽(例如 FWHM值)和IV-扫描(即，电压对电流特性的扫描)。
图3示出了对于非优化的应力测量在测量电流下作为正向电压的函数的归一化 光输出强度。在每个应力脉冲之后绘制输出强度和电压测量。图3示出了当应力脉冲之间的等待时间不够长时的效应。前25个数据点(起始 于归一化光强度1)代表一个应力脉冲，在这一个应力脉冲之后是电特征化步骤，电特征 化步骤包括光谱抓取和IV-扫描。应力脉冲之间的时间非常长并且可以足够用于冷却的 进行。然而，最后2个数据点代表某一时刻(应力脉冲之间的等待时间最小)的5个应 力脉冲，在这5个应力脉冲之后时特征化步骤。因此，这些示出了阻止热冷却回到环境 温度的情况。图3示出了前25个数据点的一般走向，但该一般走向不是平滑函数，图3 还示出了最后2个数据点的不连续性。最后2个数据点的不连续性性质清楚地指示了较 高结温度影响测量。图4示出了根据本发明的用于最优化应力测量的在测量电流下作为正向电压的 函数的归一化强度，其中在每个应力脉冲之后确保充分的冷却。图4示出了当使用结温度来确保样本的适当冷却时LED老化遵循连续平滑曲 线。因此，可以遵循本发明的测试过程来更加精确地建模LED的老化特性。图5示出了测试装置的光学部件，图6示出了测试序列。图5的布置包括积分球20，积分球20用于将来自LED21的所有光输出引导至输 出21，在输出21处提供光谱仪。LED由电源24来控制，测量单元26实现正向电压测 量(或其他电测量)。系统受计算机28的控制。可控热卡盘如30所示。图6的过程包括步骤38 设置热沉温度；步骤40 等待稳定的LED结温度；步骤42 捕获原始二极管的I-V曲线；步骤44 针对原始二极管在给定的工作电流下测量输出光谱；步骤46 施加上述的应力脉冲；步骤48 基于Vf测量来监测设备的冷却并等待稳定的二极管结温度；步骤50 捕获当前老化的二极管的I-V曲线；以及步骤52 对于当前老化的二极管在给定的工作电流下测量输出光谱。重复步骤46至52以提供针对不同老化程度的数据。当二极管的输出通量已经下降至表示二极管寿命终结的水平时，该过程结束 (步骤54)。已经进行了实验来分析老化测试的有效性。蓝LED 二极管集合在原始状态下具有480.9nm的平均峰值光输出波长，标准偏 差为0.8nm。光输出强度是1.93X 106(任意计数单元)，标准偏差为7.3%。FWHM(即， 波长展开度)是32nm，标准偏差为1.04nm。对于0.001mA的电流，正向电压平均是 1.993V，标准偏差为23.7mV;对于IA的电流，正向电压平均是4.255V，标准偏差为 31.6mV。对二极管集合进行老化测试。为达到与LED寿命的终结(典型地输出通量值下 降至原始值的70% )相对应的光强度的预定的减小，需要在2.5A下的平均大约为1500IOs的应力脉冲，或者在2.75A下平均为350 IOs的应力脉冲。因此，假定平均为30秒 的冷却时间，在前种情况中测试过程需要大约16小时，在后种情况中测试过程需要大约 4小时。对结果的分析表明强度随老化而减小，但波长改变很小。如图7所示。箭头 60代表老化(即，老化脉冲的数量)增大。图8示出了波长(曲线62)和FWHM (曲线64)如何变化。工作电流(在本示例中是1A)下的正向电压随老化而增大，但在低电流(在本示 例中是0.001mA)下正向电压随老化而减小。图9中示出了这一点。箭头66代表老化 (即老化脉冲的数量)增大。刚好在应力脉冲之后的结温度和(如由应力脉冲的数量表示的)老化之间也有清 楚的相关性。图10中对于集合中的不同二极管示出了该关系，且该关系涉及2.75A的IOs 老化脉冲。图10中示出的温度升高是二极管老化的原因(而不是效应)。通过例如使用热 沉复合物改进二极管和加热卡盘之间的热耦合，可以显著提高寿命。本发明的测试使得能够确定老化曲线图。如从上述分析可以看出，正向电压测 量、在应力脉冲之后的温度估计、或者强度测量可以与这些参数随老化的进展中的特定 点相联系。测试过程给出了在二极管原始状态与有用寿命终结之间的这些参数的演变， 而没有针对二极管老化(X轴是老化脉冲的数量)的实际时间值。然而，通过确定二极管 位于老化曲线上何处(与对应的实际时间无关)，可以相应地调整二极管的驱动条件。在图5的测试装置中使用的电路设计对本领域技术人员来说是常规的。图11中 示意性地示出了示例，示例实现了图5的电源24、测量单元26和计算机28。电流源电路70用于将正向偏置电流驱动通过二极管71，该电流包括上述波形。通过电压测量电路72来测量正向偏置电压降，并且将结果提供给处理器74。处 理器74执行对正向电压的变化速率的分析。此外，电流源电路和电压测量电路可以用于 确定IV特性。附加的电和/或光学电路用于在每个应力脉冲和冷却周期之后执行对LED 的电或光学特性的任何其他所需测量，如图5所示，但可以使用其他传感器或测量设备。本发明的方法可以应用在任何在普通照明、背光或侧光LCD电视或汽车应用中 使用的LED系统中。没有详细描述为表征LED在不同老化时刻的性能而进行的测量，因为这些对本 领域技术人员是常规的。本发明涉及利用依赖温度的参数的反馈来控制应力(老化)脉 冲的定时和LED特性的测量的定时，具体地，脉冲之间的时间周期的持续时间。依赖温 度的参数可以是如上述示例中的电压测量，但取而代之地可以利用温度的直接测量。其 实，可以使用任何已知的方法来估测温度(或监测已知取决于温度的参数)。测量电流将显著低于应力电流，例如与IA相对比的1mA。因此，因子1000将 是典型的，尽管因子可以在100与1000000之间，或者更可能在1000与100000之间。本发明可以应用于高功率或低功率LED。应力脉冲被设计为提供期望的递增的 老化效应而不对LED产生突然的损坏。 老化脉冲的设计将是电流密度与测试的持续时间之间的平衡。
各种其他修改对本领域技术人员将是显而易见的。
权利要求
1.一种确定发光二极管LED的老化特性的方法，包括(i)向LED施加(46)电流应力脉冲；(ii)在电流应力脉冲之后，监测(48)LED以确定由电流应力脉冲所引起的发热何时 已经消散至期望水平；(iii)在发热已经消散至期望水平之后，测量(50，52)LED的工作特性；以及(iv)重复步骤(i)至(iii)，直到确定完成。
2.如权利要求1所述的方法，还包括校准过程，所述校准过程包括(i)使(38，40)测量中的LED处于稳定温度；以及(ii)测量(42，44)LED的原始性能，包括光学和电性能特性。
3.如权利要求2所述的方法，其中，光学和电性能特性包括以下项目中的一个或多个峰值波长； 谱宽；以及 电流-电压特性。
4.如前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，电流应力脉冲具有比LED 的最大额定电流大的电流值。
5.如前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，电流应力脉冲具有在范围 0.5A至IOA中的电流值。
6.如前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，每个电流应力脉冲具有Is 至30s的持续时间。
7.如前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，电流应力脉冲具有足够使 二极管的温度升高至高于环境温度30°C以上的电流值和持续时间。
8.如权利要求7所述的方法，其中，电流应力脉冲具有足够使二极管的温度升高至高 于环境温度50°C以上的电流值和持续时间。
9.如前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，监测LED包括随时间监测 二极管正向电压。
10.如权利要求9所述的方法，其中，当正向电压的导数下降到预定值以下时，确定 由电流应力脉冲引起的发热已经消散至期望水平。
11.如权利要求1至9之一的权利要求所述的方法，其中，当依赖温度的参数下降到 预定值以下时，确定由电流应力脉冲引起的发热已经消散至期望水平。
12.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中，测量工作特性包括以下中的 一个或多个(52)确定峰值波长； (52)确定谱宽；以及 (50)确定电流-电压特性。
13.一种用于确定发光二极管LED的老化特性的测试电路，包括 电流源电路(70)，用于向LED(71)施加电流应力脉冲；温度监测电路(72，74)，用于监测LED以确定由电流应力脉冲引起的发热何时已经 消散至期望水平；以及分析电路(74)，用于在发热已经消散至期望水平之后测量LED的工作特性。
14.如权利要求13所述的电路，其中，分析电路(74)适于确定峰值波长、和/或谱 宽、和/或电流-电压特性。
全文摘要
本发明提供了一种确定LED的老化特性的方法，包括向LED施加电流应力脉冲。监测LED以确定由电流应力脉冲引起的发热何时已经消散至期望水平。然后在施加下一应力脉冲之前测量LED的工作特性。该方法以可再现的方式加速老化效应，从而能够极大地减小可靠性测试所需要的时间。
文档编号G01R31/44GK102012488SQ20101027530
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月6日 优先权日2009年9月7日
发明者帕斯卡尔·贝思肯, 拉杜·苏尔代亚努, 菲特·恩古耶恩霍安 申请人:Nxp股份有限公司