LED品质测试七个方面

　LED 品质测试的七个方面

　LED 应用产品尤其是半导体照明产品对大功率 LED 需求越来越旺，同时对 LED 的品质要求也越来越高，其主要表现在以下 7 个方面：

　1.正向电压测试：正向电压的范围需在电路设计的许可范围内，很多客户设计驱动发光管点亮都以电压方式电量，正向电压大小直接会影响到电路整体参数的改变，从而会给产品品质带来隐患。另外，对于一些电路功耗有要求的产品，则希望保证同样的发光效率下正向电压越低越好。

　光通量分档：光通量值是 LED 用户很关心的一个指标，LED 应用客户必须要知道自己所使用的 LED 光通量在哪个范围，这样才能保证自己产品亮度的均匀性和一致性。

　反向漏电流测试：反向漏电流在载入一定的电压下要低于要求的值，生产过程中由于静电、芯片品质等因素引起 LED 反向漏电流过高，这会给 LED 应用产品埋下极大的隐患，在使用一段时间后很容易造成 LED 死灯。

　4.主波长分档：对于单色光 LED 来说，主波长是衡量其色参数的重要指标，主波长直接反映人眼对 LED 的光的视觉感受。

　显色指数分档：显色指数直接关係到光照射到物体上物体的变色程度，对于 LED 照明产品这个参数就显得非常重要。

　6.相对色温分档：对于白光 LED 色温是表徵其顏色行业中用得比较多的一个参数，此参数可直接呈现出 LED 色调是偏暖还是偏冷还是正白。

　色品座标 x,y 分档：对于白光或者单色光都可以用色品参数来表达 LED 在哪个色区域，一般都要求四点 x,y 确定一个色品区域。必须通过一定测试手段保证 LED 究竟是否落在所要求的四点 x,y 色品区域内。

　针对以上要点，我们可以采用两种方案进行有效的分光分色，一种是从测电压到漏电流到光通量到光谱多道工序大量人工配合进行品质把控和分档。一种是通过专业的大功率 LED 分光分色机进行自动分档，效率高，速度快，可以做到对每一颗 LED 分光分色。

　白光 LED 为什么要进行分光分色？

　白光 LED 灯在出厂前都要经过分光分色（没经过分光分色的 LED 有的发出的光是纯白、有的偏蓝、有的发黄），分光分色仪价格昂贵，一般的小厂没有该种设备，所以生产的白光一般都是拿到大厂进行分光分色的，由于不是自己厂的产品，分光分色就不会那么仔细。有些小厂干脆就不分光分色。他们一般都是以低价格来拉客户的。所以在购买白光 LED 时不要一味的贪图便宜，一定要购买同一厂家、同一批次、同一色号的 LED 发光管单颗粒灯或模组来制作同一批次的发光字。

　LED 分光分色基本原理

　通过分光机的红外线探测头测试，把 LED 发光二极管、电压、亮度、漏电值、波长区别开来，在放入不同的料箱里

　LED 光电性能测试的主要方面

　摘 要：半导体发光二极管（LED）是新型的发光体，电光效率高、体积小、寿命长、电压低、节能和环保，是下一代理想的照明器件。LED 光电测试是检验 LED 光电性能的重要而且唯一的手段，相应的测试结果是评价和反映当前我国 LED 产业发展水平的依据。制定 LED 光电测试方法的标准是统一衡量 LED 产品光电性能的重要途径，是使测试结果真实反映我国 LED 产业发展水平的前提。本文结合最新的 LED 测试方法的国家标准，介绍了 LED 的光电性能测试的几个主要方面。

　关键词：半导体发光二极管 测试方法 国家标准

　一、引言

　半导体发光二极管（LED）已经被广泛应用于指示灯、信号灯、仪表显示、手机背光源、车载光源等场合，尤其是白光 LED 技术的发展，LED 在照明领域的应用也越来越广泛。但是过去对于 LED 的测试没有较全面的国家标准和行业标准，在生产实践中只能以相对参数为依据，不同的厂家、用户、研究机构对此争议很大，导致国内 LED 产业的发展受到严重影响。因此，半导体发光二极管测试方法国家标准应运而生。

　二、LED 测试方法

　基于 LED 各个应用领域的实际需求，LED 的测试需要包含多方面的内容，包括：电特性、光特性、开关特性、颜色特性、热学特性、可靠性等。

　1、电特性

　LED 是一个由半导体无机材料构成的单极性 PN 结二极管，它是半导体 PN 结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。由图 1 可知，LED 电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压，LED 必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。通过 LED 电特性的测试可以获得 LED 的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定 LED 的最佳工作电功率。

　图 1 LED 伏安特性曲线

　LED 电特性的测试一般利用相应的恒流恒压源供电下利用电压电流表进行测试。2、光特性

　类似于其它光源，LED 光特性的测试主要包括光通量和发光效率、辐射通量和辐射效率、光强和光强分布特性和光谱参数等。

　（1）光通量和光效

　有两种方法可以用于光通量的测试，积分球法和变角光度计法。变角光度计法是测试光通量的最精确的方法，但是由于其耗时较长，所以一般采用积分球法测试光通量。如图 2

　所示，现有的积分球法测 LED 光通量中有两种测试结构，一种是将被测 LED 放置在球心，另外一种是放在球

　壁。

　图 2 积分球法测 LED 光通量

　此外，由于积分球法测试光通量时光源对光的自吸收会对测试结果造成影响，因此，往往引入辅助灯，如图 3 所示。

　图 3 辅助灯法消除自吸收影响

　在测得光通量之后，配合电参数测试仪可以测得 LED 的发光效率。而辐射通量和辐射效率的测试方法类似于光通量和发光效率的测试。

　（2）光强和光强分布特性

　图 4 LED 光强测试中的问题

　如图 4 所示，点光源光强在空间各方向均匀分布，在不同距离处用不同接收孔径的探测器接收得到的测试结果都不会改变，但是 LED 由于其光强分布的不一致使得测试结果随测试距离和探测器孔径变化。因此，CIE-127 提出了两种推荐测试条件使得各个 LED 在同一条件下

　进行光强测试与评价，目前 CIE-127 条件已经被各 LED 制造商和检测机构引用。

　图 5 CIE-127 推荐 LED 光强测试条件

　（3）光谱参数

　LED 的光谱特性参数主要包括峰值发射波长、光谱辐射带宽和光谱功率分布等。单色 LED 的光谱为单一波峰，特性以峰值波长和带宽表示，而白光 LED 的光谱由多种单色光谱合成。所有 LED 的光谱特性都可由光谱功率分布表示，而由 LED 的光谱功率分布还可计算得到色度参数。

　光谱功率分布的测试需要通过分光进行，将各色光从混合的光中区分出来进行测定，一般可以采用棱镜和光栅实现分光。

　图 6 白光 LED 光谱功率分布

　3、开关特性

　LED 开关特性是指 LED 通电和断电瞬间的光、电、色变化特性。通过 LED 开关特性的测试可以获得 LED 在通断电瞬间工作状态、物质属性等的变化规律，由此不仅可了解通断电对 LED 的损耗，也可用以指导 LED 驱动模块的设计等。

　4、颜色特性

　LED 的颜色特性主要包括色品坐标、主波长、色纯度、色温及显色性等，LED 的颜色

　特性对白光 LED 尤为重要。

　现有的颜色特性测试方法有分光光度法和积分法。如图 7 所示：分光光度法是通过单色仪分光测得 LED 光谱功率分布，之后利用色度加权函数积分获得对应色度参数；积分法是利用特定滤色片配合光电探测器直接测得色度参数；分光光度法的准确性要大大高于积分法。

　图 7 LED 颜色特性测试方法

　5、热学特性

　LED 的热学特性主要指热阻和结温。热阻是指沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比。结温是指 LED 的 PN 结温度。LED 的热阻和结温是影响 LED 光电性能的重要因素。现有的对 LED 结温的测试一般有两种方法：一种是采用红外测温显微镜或微型热偶测得 LED 芯片表面的温度并视其为 LED 的结温，但是准确度不够；另外一种是利用确定电流下的正向偏压与结温之间反比变化的关系来判定 LED 的结温。

　6、可靠性

　LED 的可靠性包括静电敏感度特性、寿命、环境特性等。

　静电敏感度特性是指 LED 能承受的静电放电电压。某些 LED 由于电阻率较高，且正负电极距离很短，若两端的静电电荷累积到一定值时，这一静电电压会击穿 PN 结，严重时可

　PN 结击穿导致 LED 失效，因此必须对 LED 的静电敏感度特性进行测试，获得 LED 的静电放电故障临界电压。目前一般采用人体模式、机器模式、器件充电模式来模拟现实生活中的静电放电现象。

　为了观察 LED 在长期连续使用情况下光性能的变化规律，需要对 LED 进行抽样试验，通过长期观察和统计获得 LED 寿命参数。

　对于 LED 环境特性的试验往往采用模拟 LED 在应用中遇到的各类自然侵袭，一般有：高低温冲击试验、湿度循环试验、潮湿试验、盐雾试验、沙尘试验、辐照试验、振动和冲击试验、跌落试验、离心加速度试验等。

　三、国家标准的制定

　总结以上测试方法，半导体发光二极管测试方法国家标准对 LED 电特性、光学特性、热学特性、静电特性及寿命测试都作了相应的规定。

　对于电特性测试，标准分别规定了 LED 正向电压、反向电压、反向电流的测试框图；对于光通量测试，标准规定采用 2π立体角测试结构；对于光强测试，标准引用了 CIE-127 的推荐条件；此外，对光谱测试、热学特性测试、静电放电敏感度测试、寿命测试等都作了明确的规定。

　四、结论

　国家标准的制定总结了现有 LED 的测试方法，将其中的科学适用的方法升级为标准测试方法，很好地消除了各界在 LED 测试领域存在的分歧，也使测试结果更加真实地反映我国 LED 产业的整体水平。但是鉴于 LED 技术还在处于不断地发展之中，国家标准的制定并不是一劳永逸的，应当时刻将最新最合适的测试技术引入标准之中。

　LED 照明的光色测量基础知识

　一、引言

　发光二极管（LED）作为新兴的发光体，具有电光效率高、体积小、寿命长、电压低、节能和环保等优点，是下一代照明器件的不二之选。LED 的发展受到国内外的普遍关注，新产品、新技术层出不穷。近年来，LED 产业发展迅速，光效不断增加，亮度不断提高，如今，LED已经渗透到了大量的应用场合，尤其是白光 LED 技术的不断进步，LED 在照明领域的应用也已经越来越普及。

　图 1 LED 产业的发展

　1、LED 的工作原理

　发光二极管（LED）是一种能把电能转化为光能的固体器件，它的结构主要由 PN 结芯片、电极和光学系统等组成。LED 的基本的工作原理是一个电光转换过程，当一个正向偏压施加于 PN 结两端，由于 PN 结势垒的降低，P 区的正电荷将向 N 区扩散，N 区的电子也向 P 区扩散，同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。由于电流注入产生的少数载流子是不稳定的，对于 PN 结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，其中多余的能量将以光的形式向外辐射，电子和空穴的能量差越大，产生的光子的能量就越高。能量级差大小不同，产生光的频率和波长就不同，相应的光的颜色就不同。

　图 2 LED 的工作原理

　2、LED 的光参数

　图 3 LED 的主要光参数

　（1）光通量

　光通量是光源在单位时间内发出的光量，也即辐射功率（或辐射通量）能够被人眼视觉系统所感受到的那部分有效当量。光通量的符号为 Φ，单位为流明（lm）。根据光谱辐射通量Φ（λ），由下式可确定光通量。

　式中 V（λ）为相对光谱光视效率，Km 为辐射的光谱光视效能的最大值，单位为 lm/W，1977年由国际计量委员会确定 Km 值为 683lm/W（λm=555nm）。（2）光强度

　光源在给定方向上的发光强度是该光源在该方向的立体角元 dΩ 内传输的光通量 dΦ 除以该立体角元之商，即

　发光强度的单位是坎德拉（cd），1cd=1lm/1sr。空间各个方向的光强之和就是光通量。（3）光亮度

　光源发光表面上某一点处的亮度是该面元 dS 在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之商，即：

　单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。当发光表面与测量方向垂直时，则 cosθ=1。（4）光照度

　表面上一点的照度是入射在包含该点面元上的光通量 dΦ 除以该面元面积 dS 之商。即

　单位为勒克斯（lx），1lx=1lm/m2。

　（5）其它

　光谱、色品坐标、主波长和色纯度、色温和相关色温、显色性和显色指数等。

　图 4 其他参数

　3、LED 光色测量的必要性

　（1）避免危害

　LED 与传统的照明灯不同，它具有点光源、高亮度、窄光束输出等特点。当 LED 应用于照明器具时，如果对出光角不加严格的控制就会产生强烈的眩光，某些高亮度 LED 产品甚至会对人体造成一定的光辐射危害。光色测量可为 LED 的安全使用提供指导。

　（2）促进 LED 产业的发展

　LED 的光色测量能提供大量的实验数据，可作为判定 LED 产品合格与否的标准，并可为改进 LED 的设计、制造提供依据。

　二、LED 的光色测量

　1、光通量

　（1）积分法

　测得 LED 在各个方向的光强，然后由这些光强值计算得到 LED 的总光通量。

　图 5 积分球法测 LED 光通量

　（2）积分球法

　积分球又称为光通球，是一个中空的完整球壳。内壁涂白色漫反射层，且球内壁各点漫射均匀。光源在球壁上任意一点上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。由积分学原理可得，球面上任意一点的光照度为与光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的标准灯与被测灯进行比较得到被测灯的光通量，如图 6（a）所示。

　但是由于标准灯与被测灯的物理结构以及性质的不同，如吸收，在利用积分球法测试光通量时需要对测试结果进行修正，可采用辅助灯的方法，如图 6（b）所示。

　图 6 积分球法测 LED 光通量

　3）2p 立体角光通量的测试

　利用积分球法测试 LED 光通量时还有一种测试结构，如图 7 所示，称为前射光通量的测试或 2p 立体角光通量。该测试并不是测试 LED 的总光通量，但是人们常常将其与测试 LED 的总光通量混淆。

　图 7 LED 的 2p 立体角光通量测试

　2、光强度

　对于 LED 的光强的测试，CIE-127 规定了两种测试条件，如图 8 和表 1 所示。

　图 8 LED 光强测试

　表 1：CIE-127 规定了两种测试条件

　3、光亮度

　LED 亮度的测试一般应用于测试 LED 芯片的亮度和评价 LED 光辐射安全性的过程中。测试一般采用成像法，对于芯片的测试可以采用显微成像进行测量（图 9（b））。

　图 9 LED 亮度测试

　4、光照度

　光照度实际上并不能算是 LED 的光学参数，照度是表示被照射表面受照程度的光学量。而且

　测试单个 LED 的对某点或某面的照度没有太大意义，因为一般情况下对实际场合的照明都是由多个 LED 共同完成的。

　5、其它参数

　色品坐标、主波长和色纯度、色温和相关色温、显色性和显色指数等参数的测试可以利用相关色度计或者采用光谱仪进行测试。

　三、LED 的光辐射安全性测试与评价

　近年来，LED 的光辐射安全受到越来越多的关注，因此本文也对此作一下简单介绍。

　浙江大学三色仪器有限公司在国内首先开展了光辐射安全测试的研究，并与国家电光源检测中心共同起草了非相干光源的光生物安全性国家标准。目前，浙大三色在 LED 的光辐射安全测试方面又取得新的进展，为 Philips 公司进行了照明 LED 测试工作，研究完成了具有中国自主知识产权的 LED 辐射安全检测系统。下面以我们做的测试实例介绍一下 LED 光辐射安全性测试与评价的大体过程。

　1、被测白光 LED

　（1）LED 工作条件

　灯管电流 0.417A，电压 12V 直流，功率 5W。

　（2）实物图与光谱分布

　图 10 被测 LED 实物与光谱分布

　2、表观光源的测试

　如图 11 所示，我们利用表观光源测试系统对白光 LED 进行了测试，上述 9 幅图是在 0 度（正对）和 90 度方向上间隔 10 度拍摄得到的表观光源像。理论上我们应该按各个方向进行光安全的测试评价，但是本文为简单起见只对 0 度方向的情况进行测试评价（因为该方向光输出最强），其它角度可以此类推。0 度方向表观光源大小为直径 2.5cm 的圆斑。

　图 11 白光 LED 表观光源测试

　四、LED 光色测量与照明评价

　LED 照明的最终目的是取得最佳的照明效果，而判断照明效果的好坏也取决于 LED 的光色测量。

　1、现行的照明评价

　现行的照明评价主要是根据几个主要光学基本量：光通量、光亮度、光强度和光照度等来进行评价，其中前三个基本量主要用于光源的评价，光照度则是对光源光辐射作用面的评价。这些光学基本量是根据人眼的生物物理特性得到的一个国际照明委员会（CIE）认可光谱光视效率函数 V（λ）与对应的辐射度量加权积分的结果，满足关系：

　式中的 Km=683lm/W。

　2、存在的问题与不足

　人眼的生物物理机理非常复杂，不同情况下对光刺激的响应也不同，大体上可以分为明视觉、暗视觉和中间视觉，其中中间视觉尤其复杂，因此上述的光谱光视效率并不能确切地表示照明的实际效果。如图 13 所示：同一个光源在明视觉和暗视觉下对人眼造成的刺激值明显不同。另外，国内现行的照明评价缺乏对光生物安全性的考虑，这可能会对人体造成不同程度的危害。

　3、解决方法

　（1）测试方法与仪器

　采用全光谱法测得 LED 的光谱分布，如图 11 所示，利用光谱仪进行分光测试。

　（2）评价方法

　a）照明效果

　根据不同视觉条件采用不同的光谱光视效率函数加权 LED 光谱分布数据，得到被测光源光辐

　射在对应视觉条件下的实际照明效果。例如，暗视觉时采用暗视觉光谱光是效率函数，明视觉时采用明视觉光谱光是效率函数，中间视觉采用中间视觉光谱光是效率函数。b）光生物安全性

　根据危害种类的采用对应的效果函数加权 LED 光谱分布数据得到实际危害效果。

　总之，LED 照明评价应该符合人体实际的生物物理需求。

　五、总结与展望

　第一、LED 产业的发展离不开 LED 的光色测量技术，而为了适应 LED 的照明应用，未来的光色测量技术应该有新的突破。

　第二、LED 照明与光色测量应该以人为本，一切以适应人类的实际要求为导向。

　第三、当前任务：

　（1）加强人体相关的生物学基础理论的研究，促进学科的交叉合作。

　（2）与国际接轨，加快规范性文件的制定与实施，努力并积极地参与 CIE、IEC 等国际知名组织的活动。

　（3）加大科研投入，研发具有自主知识产权的光色测量仪器。

　（4）加强各类测试技术的研究，培养专业的测试人员，并加快提高质检机构的装备水平和检测能力