发光二极管（LED）检测技术与方法

发光二极管（LED）凭借其高能效、长寿命和环保特性，已成为照明和显示领域的核心技术。为确保其性能达标、安全可靠、满足设计预期和应用需求，进行系统、专业的检测至关重要。以下是关键的LED检测项目和方法：

一、 电气特性检测

  1. 正向电压降（Vf）：
    • 目的： 评估LED在额定工作电流下所需的驱动电压，是电路设计的关键参数。
    • 方法： 使用可编程直流电源和电压表，在规定的恒定正向电流（If）下测量LED两端的电压。
  2. 反向电流（Ir）/反向击穿电压（Vr）：
    • 目的： 评估LED承受反向电压的能力，防止因意外反接或在反向偏置下工作时发生永久性损坏。
    • 方法： 在LED两端施加规定的反向电压（通常低于其额定反向击穿电压），使用微安表测量流过的微小反向泄漏电流（Ir）。反向击穿电压（Vr）测试则逐步施加反向电压直至电流急剧增大（超过规定阈值）时的电压值。
  3. 电流-电压（I-V）特性曲线：
    • 目的： 全面了解LED的导通特性、阈值电压、正向工作区域及反向特性。
    • 方法： 使用半导体特性分析仪（或可编程电源配合电压/电流表），在LED两端施加从负电压（反向）到正电压（正向）扫描的电压，同步测量流过的电流，绘制I-V曲线图。
 

二、 光学特性检测

  1. 光通量（Luminous Flux，单位：流明 lm）：
    • 目的： 衡量LED发出的可见光总量（人眼感知的光功率），是评价LED亮度的核心指标。
    • 方法： 在积分球内，在规定的正向电流（If）和稳定的热条件下点亮LED。积分球内壁涂有高漫反射材料，使光线均匀分布。球壁上的探测器（如经过光谱和视觉函数校正的光度探头）测量接收到的总光通量。
  2. 光照度/光强分布曲线（LIDC）：
    • 目的： 描述LED在不同空间角度上的发光强度分布，用于光学设计和评估配光效果。
    • 方法： 使用分布光度计（测角仪）。LED安装在可旋转平台上，光度探头固定在特定距离处（或反之）。平台旋转改变LED与探头间的角度，探头测量每个角度下的光强（单位：坎德拉 cd），绘制出空间光强分布图和曲线图。
  3. 色度学参数：
    • 色坐标（CIE x, y 或 u', v'）：
      • 目的： 精确描述LED发出的光的颜色在色度图上的位置。
    • 相关色温（CCT，单位：开尔文 K）：
      • 目的： 描述白光LED的“冷暖”程度，数值越低越“暖”（偏黄红），越高越“冷”（偏蓝）。
    • 显色指数（CRI，Ra）：
      • 目的： 评估LED光源对物体真实颜色的还原能力，最高值为100（理想光源）。
    • 峰值波长（λp）与主波长（λd）：
      • 目的： 描述单色LED的主要发光颜色（λp是光谱中辐射功率最强的点，λd是人眼感知的主要颜色点）。
    • 色纯度/饱和度：
      • 目的： 描述单色光接近光谱色的程度。
    • 方法： 主要使用配备积分球的分光辐射度计（光谱仪）。LED在积分球内点亮（或通过光纤耦合），光谱仪测量其发射光的详细光谱功率分布（SPD）。基于SPD数据和标准色度学公式（如CIE 1931或CIE 1976 UCS），计算得出所有色度学参数。
  4. 光效（Luminous Efficacy，单位：流明/瓦 lm/W）：
    • 目的： 衡量LED将电能转换为可见光能量的效率，是评价节能性的核心指标。
    • 方法： 同时测量LED在特定工作条件下的光通量（lm）和输入电功率（瓦特 W）。光效 = 光通量 / 输入电功率。
 

三、 热学特性检测

  1. 热阻（Rth j-指定点，单位：摄氏度/瓦 °C/W）：
    • 目的： 评估LED芯片（结）产生的热量传导到外部指定参考点（如焊点、外壳、散热器）的效率。热阻越低，散热能力越强，结温越低，LED寿命和光衰特性越好。
    • 方法： 常用方法包含：
      • 电学法（K系数法）： 利用LED的正向电压（Vf）与结温（Tj）存在近似线性负相关的特性（dVf/dT ≈ K， K为负值）。在低脉冲电流下测量不同已知参考点温度（Tc）时的Vf，确定K系数。然后在工作电流下加热LED至热稳态，快速切换到低脉冲电流测量Vf变化，根据K系数计算对应的结温变化ΔTj。已知输入功率P，热阻 Rth j-c = ΔTj / P。
      • 红外热成像法： 使用高分辨率红外热像仪直接测量LED芯片表面温度（需精确校准和考虑封装表面发射率）。
  2. 结温（Tj，单位：摄氏度 °C）：
    • 目的： 直接监测LED芯片的工作温度，是影响LED性能、可靠性和寿命的最关键参数。
    • 方法： 主要通过上述电学法（K系数法）间接测量获得。红外法亦可使用，但对封装透明度和芯片暴露程度有要求。
 

四、 可靠性/寿命试验

  1. 高温高湿老化试验（如85°C/85% RH）：
    • 目的： 评估LED在高温高湿环境下的长期稳定性，加速验证其抵抗湿气侵蚀、金属迁移等失效的能力。
    • 方法： 将LED置于恒温恒湿箱中，在规定的温度（如85°C）和相对湿度（如85%）下持续工作（通电）或存储（断电）一定时间（如1000小时）。
  2. 高温工作寿命试验（HTOL）：
    • 目的： 评估LED在持续高温工作条件下的性能退化情况和失效模式。
    • 方法： 将LED置于高温箱中（温度通常高于额定最高环境温度，如105°C或125°C），在其最大额定工作电流或更高应力电流下长时间连续工作（如1000小时）。
  3. 温度循环试验（TC）：
    • 目的： 评估LED抵抗温度剧烈变化的能力，加速验证因材料热膨胀系数（CTE）不匹配导致的焊点疲劳、分层等机械失效。
    • 方法： 将LED在设定的低温（如-40°C）和高温（如125°C）之间循环转换，每个温度段保持一定时间（如30分钟），循环数百至数千次。试验可以在通电或断电状态下进行。
  4. 开关循环试验：
    • 目的： 评估LED在频繁开关状态下（热冲击）的性能稳定性及焊点可靠性。
    • 方法： 在规定的环境温度下，对LED进行连续的通电（如开启几秒）和断电（如关闭几秒）循环操作，循环数万至数百万次。
  5. 光通维持率测试（Lumen Maintenance）：
    • 目的： 量化LED在长期工作过程中光输出的衰减程度，预测其使用寿命（如L70/L80/L90等）。
    • 方法： 在特定环境温度下，让LED在其额定电流下长时间连续工作（通常需要数千小时），定期（如每1000小时）测量其初始时刻（T0）和当前时刻（Tx）的光通量。光通维持率 = (Tx时刻光通量 / T0时刻光通量) * 100%。
  6. 加速寿命测试（ALT）：
    • 目的： 通过提高应力（温度、电流、湿度）来加快失效进程，在较短时间内预测LED在正常工作条件下的寿命和可靠性。
    • 方法： 基于阿伦尼斯模型（温度加速）或幂律模型（电流加速），设计多组不同应力水平的寿命试验，收集失效时间数据，外推至正常使用应力下的寿命。
 

五、 机械和环境试验

  1. 振动试验：
    • 目的： 评估LED抵抗振动环境的能力，检查其结构完整性（如引线断裂、芯片脱落等）。
    • 方法： 将LED安装在振动台上，按照规定的频率范围（如10-2000Hz）、加速度（如5-20g）、扫频方式和持续时间（如每轴向2小时）进行振动试验。
  2. 冲击试验：
    • 目的： 评估LED抵抗剧烈机械冲击的能力。
    • 方法： 对LED施加规定峰值加速度（如500g或1500g）、脉冲持续时间（如0.5ms或1ms）和波形（如半正弦波）的冲击脉冲，通常在三个互相垂直的方向上进行。
  3. 可焊性测试：
    • 目的： 验证LED引线（引脚）的焊接性能是否符合要求。
    • 方法： 常用方法有焊槽法或焊球法，将引脚浸入熔融焊料中，观察焊料浸润引线的覆盖面积、均匀性和外观是否符合标准（如IPC J-STD-002）。
  4. 耐溶剂性测试：
    • 目的： 评估LED封装材料和标识抵抗常用清洗溶剂侵蚀的能力。
    • 方法： 用规定的溶剂（如异丙醇、酒精）浸泡或擦拭LED本体和标识部分，检查是否有变形、开裂、溶解、标识脱落或模糊等现象。
 

六、 安全规范测试

  1. 电气安全（绝缘电阻、耐压）：
    • 目的： 确保LED模块或灯具在电气连接部分具备足够的绝缘性能，防止触电危险（尤其对高压LED模块）。
    • 方法：
      • 绝缘电阻： 在带电部件与可触及的外壳或端子（如有）之间施加高直流电压（如500V DC），测量其电阻值（通常要求≥几兆欧姆）。
      • 耐压强度（Hi-Pot）： 在带电部件与可触及的外壳或端子（如有）之间施加交流高压（如1000V AC + 2倍额定工作电压）或直流高压，持续规定时间（如1分钟），不应发生击穿或漏电流超标现象（根据具体安全标准如IEC/UL 62368-1）。
 

检测注意事项与标准

  • 标准参考： LED检测通常依据国际、国家或行业标准进行，如：
    • 光学/电气： CIE S 025, LM-79, LM-80, LM-82, LM-85, IEC 62612, IESNA RP-16。
    • 可靠性： JEDEC JESD22 (如 A101, A104, A106), IEC 60068-2 (如 Part 1, Part 14, Part 30), TM-21（寿命预测）。
    • 安全： IEC/UL 62368-1, IEC/EN 62471 (光生物安全)。
  • 环境条件： 光学测量通常在25°C ±1°C的恒温暗室中进行，确保结果可比性。
  • 热稳定： 在进行光学和电气测量前，LED必须达到热平衡状态（通常在额定电流下点亮至少30分钟）。
  • 仪器校准： 所有测量仪器（电源、万用表、积分球、光谱仪、温度传感器等）必须定期溯源至国家或国际标准进行校准，以保证测量结果的准确性和可靠性。
  • 样品代表性： 测试样品应从批量产品中随机抽取，并保证足够数量以获取统计意义的数据。
 

结论

全面的LED检测是确保其从研发设计到生产制造、再到最终应用各个环节都能满足性能、质量和可靠性要求的基础。通过系统化地运用上述电气、光学、热学、可靠性、机械环境及安全测试方法，并严格遵循相关标准和规范，可以有效评估LED产品的综合性能，预测其使用寿命，降低应用风险，推动LED技术的健康发展与应用普及。随着LED向更高功率密度、更宽色域、更智能化方向发展，检测技术也在不断创新和完善，以满足日益严苛的应用需求。