專利名稱：Led測試的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用發光二極管(LED)的照明設備，具體涉及這種設備的測試。
背景技術：
使用固態設備(例如LED)的照明正在迅猛發展。使用LED來照明比使用傳統 光源具有若干優勢，包括更好的光輸出/尺寸比和提高的功率效率。據報道LED的平均壽命是大約50000小時，而白熾燈泡為2000小時。因此， 在難以更換的照明器材(路燈、交通信號燈)和/或由于安全原因而要求更高可靠性的器 材(車燈)中，LED是優選光源。盡管LED具有長壽命，但是像許多其他光源一樣，由于老化過程，來自LED的 光輸出隨時間而衰減，最終導致LED失效。一般認為LED的光輸出水平是其原始值的 70%時需要被更換。根據LED的工作條件，需要更換LED的時間有很大變化。目前，典型地根據固定時間安排來更換包括LED的光源。以這種方式，一些燈 還可以工作卻被丟棄。還可能發生光源在其下一個安排的維護之前燒壞的情況。因此， 根據固定時間安排來維護不是照明器材的最佳解決方案，尤其對于在難以觸及的地方以 及注重安全性(或成本)的照明器材來說。因此，希望了解LED的老化性能以使得能夠改進使用LED的系統的設計。然 而，由于LED的設計壽命在50000小時的范圍內，所以在工作條件下觀測LED老化特性 是不實際的。需要一種用于LED的能夠縮短測試時間而不對設備造成額外損害的加速老 化方法。
發明內容
根據本發明，提供了一種確定LED的老化特性的方法，包括(i)向LED施加電流應力脈沖；(ii)在電流應力脈沖之后，監測LED以確定由電流應力脈沖引起的發熱何時已 經消散至期望水平；(iii)在發熱已經消散至期望水平之后，測量LED的工作特性；以及(iv)重復步驟(i)至(iii)直到完成老化特性的確定。此方法以可再現的方式加速了老化效應，因此能夠極大地減小可靠性測試所需 要的時間。此外，此方法允許提高對LED封裝的制造和組裝的變化以及這些變化對LED 老化效應的影響作出反饋的速度。所獲得的涉及老化特性的信息可以用于設計驅動電路，驅動電路考慮隨時間的 LED性能并相應地調整驅動條件。這樣，通過了解不同老化程度下的光學輸出性能以及 能夠預測所驅動的LED的老化程度，驅動能夠與任何老化程度的LED —起工作。可以通過測量LED特性以及將這些特性與在本發明的測試方法期間所獲得的特 性相配來預測LED的老化程度。
當一個或多個工作特性已經達到表示LED壽命終結的閥值水平時，可以認為老 化特性的確定完成。本方法優選地還包括校準過程⑴使測量中的LED處于穩定溫度；以及( )測量LED的原始性能，包括光學和電性能特性。光學和電性能特性可以包括以下項目中的一個或多個峰值波長；譜寬；以及電流-電壓特性。電流應力脈沖優選地具有比LED的最大額定電流大的電流值。這樣，提供了 LED的加速老化。將電流應力脈沖設計為加速老化過程。通常，存在用于加速老化的三 個參數結溫度、應力電流和應力持續時間。結溫度是升高了一定量的熱沉溫度，升高 的量是應力電流和持續時間的函數。因此，結溫度取決于應力電流脈沖，但也可以通過 控制熱沉溫度而將結溫度控制在一定程度。為加速老化，可以選擇條件，例如低熱沉溫 度和高應力電流，或者低電流和高熱沉溫度。電流應力脈沖優選地具有比LED的最大額定電流大的電流值。在一個示例中， 電流應力脈沖具有在0.5A至IOA范圍內的電流值，例如2A或5A，但該電流值將取決于 受測試的LED的性質。每個電流應力脈沖可以具有Is至30s的持續時間。選擇電流值和持續時間以提供期望的老化而不對LED造成毀滅性的損壞。脈沖 可以足夠將二極管的溫度提高至比環境溫度高30°C以上，或者甚至比環境溫度高50°C以 上。監測LED(以確定溫度)可以包括隨時間監測二極管正向電壓。這樣，當正向 電壓的導數下降至預定值以下時，就可以確定由電流應力脈沖引起的發熱已經消散至期 望水平。更普遍地，當依賴于溫度的參數下降至預定值以下時，確定由電流應力脈沖引 起的發熱已經消散至期望水平。測量工作特性可以包括以下中的一個或多個確定高峰值波長；確定譜寬(例如半峰全寬值FWHM)；以及執行電流-電壓掃描。也可以執行其他已知的分析。本發明還提供一種用于確定LED的老化特性的測試電路，包括電流源電路，用于向LED施加電流應力脈沖；溫度監測電路，用于監測LED以確定由電流應力脈沖引起的發熱何時已經消散 至期望水平；以及分析電路圖，用于在發熱已經消散至期望水平之后測量LED的工作特性。
現在將參考附圖對本發明的示例進行描述，其中，圖1示出了可以用在本發明的方法中的電流應力脈沖；圖2示出了對圖1的應力脈沖的LED響應；圖3示出了當測試序列非理想時如何監測LED特性；圖4示出了如何使用本發明的測試序列來監測LED特性；已經圖5示出了實現本發明的方法的測試系統的光學布置。圖6以一系列步驟的形式示出了本發明的測試方法；圖7示出了輸出強度隨老化而變化；圖8示出了 FWHM和峰值波長如何隨老化而變化；圖9示出了正向電壓如何隨老化而變化；圖10示出了在應力脈沖之后結溫度如何隨老化而變化；以及圖11示出了實現本發明的方法的測試系統的電布置。
具體實施例方式本發明提供了一種確定LED的老化特性的測試方法并且提供了用于執行該方法 的測試電路。本發明利用故意的應力脈沖來引起LED的老化，其中利用結溫度測量/估計來 控制應力脈沖的施加。執行結溫度測量/估計的不同方法是已知的，在更詳細地描述本 發明之前將對這些方法進行概述。在操作期間，LED溫度升高，這影響LED的光輸出量以及輸出光的主波長。因 此，先前已經認識到，對于控制LED具有最高性能來說，知道LED的結溫度是有用的。可以使用溫度測量來提供在控制LED驅動條件中使用的反饋值。典型地，使用 在位置上靠近LED的外部溫度傳感器來測量LED結溫度。該方法的一個主要缺點是所 測量的溫度不是LED結點處的實際溫度(實際溫度通常更高)。為補償該誤差，可以使 用復雜的熱擴散模型以基于來自傳感器的測量溫度來預測(或推算)LED結溫度。結溫 度預測的精度極大地依賴于模型的質量，以及在模型中使用的參數(例如環繞LED的封 裝材料的熱電阻和熱電容等)的精度。測量LED結溫度的另一已知方法是在將恒定電流驅動通過LED的同時監測 LED的正向電壓。該方法將LED本身用作溫度傳感器，因此節省成本并且還應當能夠提 高精度。然而，通過LED的電流可以引起所謂的自熱效應，自熱效應使得溫度讀數較不 精確。避免LED的自熱效應的解決方案是使用非常小的電流用于LED結溫度測量。使 用小電流測量LED的正向電壓意味著只能在當LED斷開時進行測量。因此該方法適合 于測試過程(例如在本發明中使用的)而不太適合于實時監測過程。另一方法包括當LED在工作電流下發光時檢測LED的正向電壓并且將該正向電壓映 射到LED的環境溫度。然后通過查表方法將溫度數值轉化為驅動LED所需要的合適電流。本申請提出了(但還未公開)估計發光二極管的結溫度的另一方法，在該方法中 將正向偏流驅動通過二極管，電流包括在高電流值和低電流值之間切換的方波。高電流 值是LED工作電流，低電流值是非零測量電流。對正向偏置電壓降進行采樣，以便確定在測量電流下的正向偏置電壓降。然后從所確定的正向偏置電壓降導出溫度。該方法使 得能夠使用低測量電流，但同時使得能夠實時進行測量，其中在PWM控制循環的斷開期 間施加低測量電流。根據本發明，向LED施加應力脈沖，通過在應力脈沖之后向LED發送電信號來 測量LED狀態。使用溫度監測或估計來推斷應力脈沖的熱效應何時減小使得僅LED的 老化會影響下一應力脈沖。這提供了可以迅速模擬LED的老化的最優化測試過程。具 體地，可以通過以下方式來最小化測試時間在應力脈沖之后監測結溫度，使得一旦結 溫度穩定(在熱沉溫度下)就可以施加下一應力脈沖。可以利用上述任何溫度測量方法。測試過程不是在設備的通常使用中來進行 的，從而不需要使得在LED的使用期間能夠進行溫度測量(在LED的使用期間能夠進行 溫度測量是一些上述的已知溫度測量方法的目標)。此外，結果的精度不是苛刻的，可以 在過程中建立安全余量(即，應力脈沖之間的額外時間)，以保證應力脈沖之間充分的冷 卻，以及將溫度估計中預期的不精確性考慮進去。因此，可見許多不同的溫度測量方法 是可能的。最簡單的方法是僅僅在應力脈沖之后提供恒定測量電流以及監測正向電壓。本發明提供了一種確定LED的老化特性的方法，其中向LED施加電流應力脈 沖。然后監測LED的溫度以確定由電流應力脈沖引起的發熱何時已經消散至期望水平。 然后在施加下一應力脈沖之前測量LED的電特性。應力脈沖提供了提高的應力條件，提高的應力條件引起提高的LED結溫度。熱 沉溫度可以保持恒定(而不提高)。因此結溫度的差異反應了在該恒定的熱沉溫度下所經 歷的壽命長度。所施加的應力電流比LED的最大額定電流大，選擇脈沖的持續時間以引 起LED的老化。通過示例，對于高功率LED，可以將熱沉溫度提高至50°C (比20°C的典型環境 溫度高30°C )以上或者甚至70°C以上，例如提高至85°C。應力電流可以在0.5A至IOA 的范圍內(例如2.5A)，應力脈沖的持續時間可以在Is至30s的范圍內(例如IOs)。圖1示出了(使用任意單位的)應力脈沖的示例，應力脈沖具有第一持續時間的 高電流(10個單位)以及隨后的低測量電流(小于高電流的1/100000)。當溫度測量包含監測正向電壓時(如在最簡單的示例中)，在應力脈沖之后在低 測量電流下監測正向電壓，直到正向電壓關于時間的導數低于閥值為止。這確保結溫度 已經恢復到了熱沉的溫度。圖2示出了在施加應力脈沖期間和之后正向電壓如何變化。在應力脈沖之后， 正向電壓下降至第一水平。主導溫度和LED的電特性都影響該水平。在圖2中，正向 電壓在示為25個時間單位的時間點處已經穩定。LED的電特性僅僅由設備的老化狀態來 支配，而不是溫度。因此，在時間25之后進行用于確定電特性的電測量。如所示，這 與正向電壓的斜率已經變為0(或者已經超過了接近0的閥值)時的時間相對應。因此，在結溫度大約與熱沉溫度相等之后，可以執行LED的特征化測量，因為 特征化將不受應力脈沖所引起的升高的溫度的影響而僅僅受LED老化的影響。特征化 還可以包括光學測量和電測量以確定LED隨老化的特性，例如峰值波長、譜寬(例如 FWHM值)和IV-掃描(即，電壓對電流特性的掃描)。
圖3示出了對于非優化的應力測量在測量電流下作為正向電壓的函數的歸一化 光輸出強度。在每個應力脈沖之后繪制輸出強度和電壓測量。圖3示出了當應力脈沖之間的等待時間不夠長時的效應。前25個數據點(起始 于歸一化光強度1)代表一個應力脈沖，在這一個應力脈沖之后是電特征化步驟，電特征 化步驟包括光譜抓取和IV-掃描。應力脈沖之間的時間非常長并且可以足夠用于冷卻的 進行。然而，最后2個數據點代表某一時刻(應力脈沖之間的等待時間最小)的5個應 力脈沖，在這5個應力脈沖之后時特征化步驟。因此，這些示出了阻止熱冷卻回到環境 溫度的情況。圖3示出了前25個數據點的一般走向，但該一般走向不是平滑函數，圖3 還示出了最后2個數據點的不連續性。最后2個數據點的不連續性性質清楚地指示了較 高結溫度影響測量。圖4示出了根據本發明的用于最優化應力測量的在測量電流下作為正向電壓的 函數的歸一化強度，其中在每個應力脈沖之后確保充分的冷卻。圖4示出了當使用結溫度來確保樣本的適當冷卻時LED老化遵循連續平滑曲 線。因此，可以遵循本發明的測試過程來更加精確地建模LED的老化特性。圖5示出了測試裝置的光學部件，圖6示出了測試序列。圖5的布置包括積分球20，積分球20用于將來自LED21的所有光輸出引導至輸 出21，在輸出21處提供光譜儀。LED由電源24來控制，測量單元26實現正向電壓測 量(或其他電測量)。系統受計算機28的控制。可控熱卡盤如30所示。圖6的過程包括步驟38 設置熱沉溫度；步驟40 等待穩定的LED結溫度；步驟42 捕獲原始二極管的I-V曲線；步驟44 針對原始二極管在給定的工作電流下測量輸出光譜；步驟46 施加上述的應力脈沖；步驟48 基于Vf測量來監測設備的冷卻并等待穩定的二極管結溫度；步驟50 捕獲當前老化的二極管的I-V曲線；以及步驟52 對于當前老化的二極管在給定的工作電流下測量輸出光譜。重復步驟46至52以提供針對不同老化程度的數據。當二極管的輸出通量已經下降至表示二極管壽命終結的水平時，該過程結束 (步驟54)。已經進行了實驗來分析老化測試的有效性。藍LED 二極管集合在原始狀態下具有480.9nm的平均峰值光輸出波長，標準偏 差為0.8nm。光輸出強度是1.93X 106(任意計數單元)，標準偏差為7.3%。FWHM(即， 波長展開度)是32nm，標準偏差為1.04nm。對于0.001mA的電流，正向電壓平均是 1.993V，標準偏差為23.7mV;對于IA的電流，正向電壓平均是4.255V，標準偏差為 31.6mV。對二極管集合進行老化測試。為達到與LED壽命的終結(典型地輸出通量值下 降至原始值的70% )相對應的光強度的預定的減小，需要在2.5A下的平均大約為1500IOs的應力脈沖，或者在2.75A下平均為350 IOs的應力脈沖。因此，假定平均為30秒 的冷卻時間，在前種情況中測試過程需要大約16小時，在后種情況中測試過程需要大約 4小時。對結果的分析表明強度隨老化而減小，但波長改變很小。如圖7所示。箭頭 60代表老化(即，老化脈沖的數量)增大。圖8示出了波長(曲線62)和FWHM (曲線64)如何變化。工作電流(在本示例中是1A)下的正向電壓隨老化而增大，但在低電流(在本示 例中是0.001mA)下正向電壓隨老化而減小。圖9中示出了這一點。箭頭66代表老化 (即老化脈沖的數量)增大。剛好在應力脈沖之后的結溫度和(如由應力脈沖的數量表示的)老化之間也有清 楚的相關性。圖10中對于集合中的不同二極管示出了該關系，且該關系涉及2.75A的IOs 老化脈沖。圖10中示出的溫度升高是二極管老化的原因(而不是效應)。通過例如使用熱 沉復合物改進二極管和加熱卡盤之間的熱耦合，可以顯著提高壽命。本發明的測試使得能夠確定老化曲線圖。如從上述分析可以看出，正向電壓測 量、在應力脈沖之后的溫度估計、或者強度測量可以與這些參數隨老化的進展中的特定 點相聯系。測試過程給出了在二極管原始狀態與有用壽命終結之間的這些參數的演變， 而沒有針對二極管老化(X軸是老化脈沖的數量)的實際時間值。然而，通過確定二極管 位于老化曲線上何處(與對應的實際時間無關)，可以相應地調整二極管的驅動條件。在圖5的測試裝置中使用的電路設計對本領域技術人員來說是常規的。圖11中 示意性地示出了示例，示例實現了圖5的電源24、測量單元26和計算機28。電流源電路70用于將正向偏置電流驅動通過二極管71，該電流包括上述波形。通過電壓測量電路72來測量正向偏置電壓降，并且將結果提供給處理器74。處 理器74執行對正向電壓的變化速率的分析。此外，電流源電路和電壓測量電路可以用于 確定IV特性。附加的電和/或光學電路用于在每個應力脈沖和冷卻周期之后執行對LED 的電或光學特性的任何其他所需測量，如圖5所示，但可以使用其他傳感器或測量設備。本發明的方法可以應用在任何在普通照明、背光或側光LCD電視或汽車應用中 使用的LED系統中。沒有詳細描述為表征LED在不同老化時刻的性能而進行的測量，因為這些對本 領域技術人員是常規的。本發明涉及利用依賴溫度的參數的反饋來控制應力(老化)脈 沖的定時和LED特性的測量的定時，具體地，脈沖之間的時間周期的持續時間。依賴溫 度的參數可以是如上述示例中的電壓測量，但取而代之地可以利用溫度的直接測量。其 實，可以使用任何已知的方法來估測溫度(或監測已知取決于溫度的參數)。測量電流將顯著低于應力電流，例如與IA相對比的1mA。因此，因子1000將 是典型的，盡管因子可以在100與1000000之間，或者更可能在1000與100000之間。本發明可以應用于高功率或低功率LED。應力脈沖被設計為提供期望的遞增的 老化效應而不對LED產生突然的損壞。 老化脈沖的設計將是電流密度與測試的持續時間之間的平衡。
各種其他修改對本領域技術人員將是顯而易見的。
權利要求
1.一種確定發光二極管LED的老化特性的方法，包括(i)向LED施加(46)電流應力脈沖；(ii)在電流應力脈沖之后，監測(48)LED以確定由電流應力脈沖所引起的發熱何時 已經消散至期望水平；(iii)在發熱已經消散至期望水平之后，測量(50，52)LED的工作特性；以及(iv)重復步驟(i)至(iii)，直到確定完成。
2.如權利要求1所述的方法，還包括校準過程，所述校準過程包括(i)使(38，40)測量中的LED處于穩定溫度；以及(ii)測量(42，44)LED的原始性能，包括光學和電性能特性。
3.如權利要求2所述的方法，其中，光學和電性能特性包括以下項目中的一個或多個峰值波長； 譜寬；以及 電流-電壓特性。
4.如前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其中，電流應力脈沖具有比LED 的最大額定電流大的電流值。
5.如前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其中，電流應力脈沖具有在范圍 0.5A至IOA中的電流值。
6.如前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其中，每個電流應力脈沖具有Is 至30s的持續時間。
7.如前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其中，電流應力脈沖具有足夠使 二極管的溫度升高至高于環境溫度30°C以上的電流值和持續時間。
8.如權利要求7所述的方法，其中，電流應力脈沖具有足夠使二極管的溫度升高至高 于環境溫度50°C以上的電流值和持續時間。
9.如前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其中，監測LED包括隨時間監測 二極管正向電壓。
10.如權利要求9所述的方法，其中，當正向電壓的導數下降到預定值以下時，確定 由電流應力脈沖引起的發熱已經消散至期望水平。
11.如權利要求1至9之一的權利要求所述的方法，其中，當依賴溫度的參數下降到 預定值以下時，確定由電流應力脈沖引起的發熱已經消散至期望水平。
12.如前述權利要求中任一權利要求所述的方法，其中，測量工作特性包括以下中的 一個或多個(52)確定峰值波長； (52)確定譜寬；以及 (50)確定電流-電壓特性。
13.一種用于確定發光二極管LED的老化特性的測試電路，包括 電流源電路(70)，用于向LED(71)施加電流應力脈沖；溫度監測電路(72，74)，用于監測LED以確定由電流應力脈沖引起的發熱何時已經 消散至期望水平；以及分析電路(74)，用于在發熱已經消散至期望水平之后測量LED的工作特性。
14.如權利要求13所述的電路，其中，分析電路(74)適于確定峰值波長、和/或譜 寬、和/或電流-電壓特性。
全文摘要
本發明提供了一種確定LED的老化特性的方法，包括向LED施加電流應力脈沖。監測LED以確定由電流應力脈沖引起的發熱何時已經消散至期望水平。然后在施加下一應力脈沖之前測量LED的工作特性。該方法以可再現的方式加速老化效應，從而能夠極大地減小可靠性測試所需要的時間。
文檔編號G01R31/44GK102012488SQ20101027530
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月6日 優先權日2009年9月7日
發明者帕斯卡爾·貝思肯, 拉杜·蘇爾代亞努, 菲特·恩古耶恩霍安 申請人:Nxp股份有限公司