用于LED照明產品壽命預測的結溫測試

DOI：10.3969/j.issn.10001565.2025.02.005

摘" 要：LED照明產品的使用壽命已經達到數萬小時，如何加速測試LED照明產品的預測壽命成為當下的研究熱點.溫度應力法預測LED照明產品的壽命預期接受度高，有望成為理想的加速壽命測試方法，然而，在該方法中與樣品預測壽命密切相關的結溫測試一直以來沒有很好的解決辦法.介紹了一種結電壓變化法間接測量結溫的方法，并對測試誤差可能造成的預測壽命影響作了詳盡的推算分析.

關鍵詞：結溫；結電壓；溫度應力；加速壽命測試；溫度系數

中圖分類號：TN312""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：10001565（2025）02014809

Junction-temperature measurement for life expecpancy of LED lighting products

WU Deqi1，2， YU Bin2， ZHAO Nannan2， LI Weiting2， CHU Xiaoxing2

（1. Institute of Microelectrics， Chinese Academy of Science （CAS）， Beijing 100029， China；

2. Industrial Technology Research Institute， Henan Mechanical and Electrical Vocational College， Zhengzhou 451191， China）

Abstract： The life expectancy of LED lighting products has reached tens of thousands of hours. How to forecast LED’s life expectancy by accelerated life testing method has become a hot topic. Thermal stress method has been widely accepted and could be an ideal method for accelerating life measurement. However， how to measure the junction-temperature， which is closely related to the lifetime prediction， hasn’t been solved properly.A junction-temperature indirect test method by testing the change in junction voltage was introduced in this paper， and the possible influence on lifetime prediction caused by junction-temperature test error was analyzed in detail.

Key words： junction-temperature; junction voltage; thermal stress; accelerated life testing; temperature coefficient

LED照明產品作為第4代光源，具有節能環保、有利于促成綠色照明的優點［1］，成為各國政府強力推廣使用的光源產品［2-4］.近年來，LED照明產品發展迅速，其使用壽命已經達到數萬小時，如何加速測試LED照

收稿日期：20231115;修回日期：20241217

基金項目：

河南省科技攻關項目（232102210157；252102310005）

第一作者：武德起（1969—），男，中國科學院副研究員，主要從事光學探測、傳感器技術及物聯網應用等方向的研究工作.E-mail：deqi2000@126.com;wudeqi@ime.ac.cn

明產品的壽命預期成為當下備受關注的研究熱點［5］，其中，溫度應力老化法是LED照明產品最具潛力的加速壽命測試方法之一，也是目前廣為接受的測試方法［6-9］.然而，在該方法中與樣品預測壽命密切相關的結溫測試一直以來沒有很好的解決辦法［10-12］.跟其他方法相比，小電流k系數法被認為最為

準確.本文基于小電流k系數法構建了一種結電壓變化法間接測試結溫的方法［4，13］，并對測試誤差可能造成的預測壽命影響進行了較為詳盡的推算分析.

1" 測試原理［14］

對于負溫度系數的半導體材料，穩流供電條件下在某一溫度范圍內的結溫變化與正向結電壓變化滿足如下關系：

ΔUΔT=χ，

其中：χ為材料的溫度系數，有時也記做K.

可見LED照明產品的正向電壓Uf與結溫T呈線性關系，即Uf=χ·T+A.換言之，給某LED照明產品通以穩恒電流I0，通過測量不同結溫下的電壓值，便可以通過直線擬合的方法得到溫度系數χ.有了溫度系數，在某個環境溫度下通以工作電流I使LED照明產品正常工作，通過快速切換至測試電流的方法點測結電壓，再根據結電壓在工作前后的變化可計算出結溫的變化，便可間接地得到工作狀態下的結溫大小，此方法能夠方便地了解到對應于任何環境溫度應力下的結溫值.

2" 測試參考標準以及測試應該具備的基礎條件［15-28］

本測試方法參照JEDEC固態技術協會在2012年發布的《JEDEC JESD 51-51測試標準》，為獲得比較理想的結溫測試值，應該具備如下測試條件：

1）采用輸出精度達到微安量級的穩流源作為測試電源；

2）使用測試精度達到0.1 mV的電壓表，采用四線法測試結電壓；

3）實驗樣品放置在控溫精度小于0.5 ℃的環境溫度箱中進行實驗；

4）所使用的實驗樣品至少經過24 h老化；

5）電壓表讀數延遲時間tMD小于50 μs，測試時間為30～120 s；

6）溫度系數的校準至少選取3個溫度點；溫度跨度不小于50 ℃；

7）測試樣品的功率大于0.5 W，光效高于5%；

8）最為關鍵的一點在于：測試電流IM必須足夠大，以保證獲得準確可靠的正向電壓降，并不受表面泄漏電流的影響；同時IM又必須足夠小，以保證被測樣品的自身發熱不會太嚴重.

3" LED照明產品的結溫測試方法

結電壓變化法測試LED照明產品結溫的電路示意如圖1所示.采用恒流源給恒溫箱內的測試樣品供電，使用單刀雙擲開關實現結電壓的點測.

3.1" 溫度系數χ值的標定

1）將LED待測樣品置于溫度TA的恒溫箱中足夠長時間，使其達到熱平衡，此時的結溫TjA=TA.

2）為保證測量的溫度穩定性，采用熱效應可略的小測試電流，快速點測這時的LED樣品結電壓UfA.

3）將LED置入溫度Tb（大于TA）的恒溫箱中足夠長時間至熱平衡，此時的結溫TjB=TB.

4）重復步驟2），測得這時的結電壓UjB.為了減小隨機誤差，可多測一些溫度點的結電壓Uf值，每一溫度點恒溫時間至少30 min.建議測量中樣品的溫度變化范圍選為30～90 ℃，步長10 ℃.

5）直線擬合得到各電流下的溫度系數χ值，取其平均值作為該LED樣品的溫度系數.

3.2" 測算各環境溫度下LED照明產品的工作結溫

1）將樣品置入溫度TA的恒溫箱中，輸入額定電流IF使其在工作狀態下自加熱；

2）維持恒定加熱電流足夠長時間至LED工作熱平衡，此時的結電壓Uf達到穩定；

3）快速切換至測試電流If，并立即進行3.1中步驟2）的操作，測量這時的結電壓Uf，則有：結電壓變化為ΔUf=Uf-UfA，結溫變化為ΔTj=Uf-UfAχ，可推算出環境溫度TA時對應的結溫為：Tj=TA+Uf-UjAχ.

4" 實驗過程及測算結果

考慮到企業給出的LED產品溫度系數是一個范圍值，僅能作為參考，不能直接用于測試結溫，結溫測試實驗分2步進行.首先標定LED產品的溫度系數，在此基礎上再測試不同環境溫度下的LED結溫.選用7只經過老化的陽光BPZ 220/5W JA55球泡燈作為待測樣品進行實驗，具體老化方法詳見參考文獻［29］.該樣品被置于上海愛斯佩克環境設備有限公司生產的高低溫交變濕熱實驗箱中.穩流源選用穩流精度pA量級的KeiThley 2400直流穩壓穩流源，電流取值0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mA進行溫度系數標定；電壓測試選用有效數字可以精確記錄到0.1 mV的電壓表；采用輸出電流1 mA點測結溫，并進行兩線法和四線法的測試對比.

兩線法的測試結果如圖2所示，由圖2可以看出，在各基準電流下實驗樣品的結電壓隨結溫變化呈現出較好的線性關系，各基準電流下的測試曲線近乎平行，表明曲線斜率大小所代表的溫度系數的差別可以忽略.實驗中取各基準電流下溫度系數的平均值作為該樣品的溫度系數，3個樣品溫度系數的平均值作為該產品的溫度系數.

對所得實驗數據進行處理，得到該款陽光球泡燈的溫度系數和結溫測試數據如表1和表2所示.

根據表1的計算結果，對3個樣品在各基準電流下測得的溫度系數取平均值，得到樣品A、B、C的溫度系數分別為-1.054 29、-1.073 57、-1.074 29 mV/℃.計算得知3個樣品溫度系數的平均值為-1.067 4 mV/℃，將這個數值認定為該產品的溫度系數.

由表2可以看出，3個樣品在相同的環境溫度下所對應的結溫相近，差值較小，說明此測試方法是合理的.而且在環境溫度30 ℃下，所測樣品A、B和C的結溫分別為78.72、84.34、80.59 ℃，平均值為81.22 ℃，這與廠家提供的結溫數據80 ℃左右很接近，再次驗證了該測試方法的可行性.

為了減小誤差，采用四線法重新進行了測試，測試結果如表3所示.

根據表3中的測試數據計算得到樣品A在0.1、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mA基準電流下的溫度系數分別為-1.276 39、-1.139 71、-1.104 36、-1.080 75、-1.064 46、-1.052 89 mV/℃，平均值為-1.119 76 mV/℃.同樣得到樣品C在各基準電流下對應的溫度系數分別為-1.276 64、-1.139 93、-1.104 46、-1.080 64、-1.061 75、-1.048 25 mV/℃，平均值為-1.118 61 mV/℃，2個樣品的溫度系數平均值為-1.119 mV/℃.

眾所周知，四線法較之兩線法消除了引線和接觸電阻的影響，測試的結電壓較為真實.在四線法的測試中電壓值有效數字可以精確記錄到0.1 mV，兩線法僅精確到了10 mV.精確的測試顯示，溫度系數隨基準測試電流的增加略有增加，變化量在2%左右，完全可略.測算出該款產品溫度系數為-1.119 mV/℃，這一測量結果與使用大華DH1719A-3型直流穩壓穩流源四線法所得結果較為一致（-1.116 mV/℃），也證實了測試方法的可重復性.上述測試結果說明結電壓的測試應該使用四線法，以避免引線和接觸電阻的影響.

此外，在結溫測試過程中還進行了帶球泡和不帶球泡的結溫測試對比，工作電流1.0 mA，結果如表4和表5所示，測試所使用的樣品如圖3所示，該款照明產品采用的是10個燈芯的串聯模式，故而每個燈芯上分配的電壓為端電壓的1/10.

測算得知：不帶球泡的樣品對應環境溫度30 ℃時，其結溫平均值為63.8 ℃，而帶有球泡的樣品對應環境溫度30 ℃時，其結溫平均值為78.91 ℃，造成這種差別的原因在于沒有球泡的樣品散熱較快，致使結溫變低.帶有球泡的樣品結溫78.91 ℃與廠家給出的結溫80 ℃左右比較吻合，側面證實了本文測試方法的可行性和正確性.

6" 誤差分析與討論

在上述測算的基礎上分析了結溫測試誤差，并分析了由此引起的樣品加速壽命預測值的誤差大小.

令Q=f（x，y，z），由于在測試過程中變量x、y、z分別存在測試誤差ξx、ξy、ξz，那么Q值的間接測量誤差可以表示為

ξQ=Qx2ξ2x+Qy2ξ2y+Qz2ξ2z.

在本實驗中，溫度系數可作如下標定，溫度系數k=u-u0T-T0，所以ku=1T-T0，KT=-U-U0（T-T0）2，溫度系數測試的結電壓誤差ξu小于0.000 3 V，溫度實驗箱控溫偏差ξT小于0.1 ℃.取Δumax=u-u0=1.59 V，ΔTmin=T-T0=10 ℃.溫度系數的最大誤差可表示為

ξK max=Ku2ξ2u+Ku2ξ2T=

1ΔT2ξ2U+ΔU2ΔT42ξ2T=

1102×0.000 32+1.592104×0.12=0.162%，

即測算的溫度系數誤差最大不超過0.162%.針對結溫測試，（此時結電壓的讀數誤差出現在百分位上，按其誤差為0.1 V計算結溫的最大誤差值）.此時，ΔUmax=0.39 V.

由T-T0=1K（U-U0），TK=-1K2·（U-U0），TU=1K，可得到

ξT max=TK2·ξ2K+TU2·ξ2u=

0.3921.1194×10-4+11.1192×0.12=0.089 （℃）

也就是說，測算的結溫誤差最大不超過0.1 ℃.

實驗推算得到激活能E大約為0.54 eV（資料給出SiO2-Si系列材料的最大值為1.4 eV，化合物材料最大不超過1 eV），溫度T取80 ℃（350 K），k=8.617×10-5eV/K，溫度偏差按ξT=0.1 K.根據L=AeEKT，最終預測LED照明產品預測壽命值的誤差為

ξL max=-ELKT2ξT=0.54×L（80+273）2×8.617×10-5×0.1=5.029‰ L，

即預測壽命由于結溫測試不準帶來的誤差在5‰左右，最大不會超過1%.

7" 結論

通過上面的討論發現，最終的預測壽命誤差主要來源于恒溫箱的溫度精度.此外，如果能夠改用占空比較小的脈沖穩流源供電，結溫測試時電壓值的讀數將更方便，讀數誤差將會更小，能夠進一步減小測算誤差.本文介紹的LED照明產品結溫測試方法方便可行，為采用溫度應力的LED照明產品加速壽命研究奠定了較好的基礎.

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（責任編輯：孟素蘭）