IEC TR 60747-5-122021 半导体器件第5-12部分光电子器件发光二极管LED效率的试验方法标准立项发展报告

半导体器件第5-12部分：光电子器件发光二极管LED效率的试验方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SemiconductorDevices–Part5-12:OptoelectronicDevices–LightEmittingDiodes–TestMethodofLEDEfficiencies摘要发光二极管（LED）作为新一代固态照明与显示技术的核心器件，其效率参数的准确测量与统一评价已成为全球半导体产业标准化工作的关键议题。IECTR60747-5-12:2021《半导体器件第5-12部分：光电子器件发光二极管LED效率的试验方法》由国际电工委员会（IEC）正式发布，该技术报告系统规定了LED外量子效率、功率效率及壁插效率等关键参数的标准化试验方法，填补了国际标准体系中LED效率测试方法长期缺乏统一规范的空白。本报告全面梳理了该标准的立项背景、技术架构与核心内容，深入分析了标准中涉及的辐射通量测量、电学参数测试及效率计算模型等关键技术环节，并详细介绍了主要起草单位在标准研制过程中的技术贡献与组织协调工作。报告指出，该标准的发布实施对于统一全球LED效率评价体系、促进国际贸易与技术交流、引导产业技术升级具有重要的战略意义，未来随着LED应用场景的持续拓展，相关测试标准体系将朝着更加精细化、多元化和智能化方向发展。关键词：半导体器件；发光二极管；光电效率；试验方法；IEC标准；光辐射测量；标准化Keywords:Semiconductordevices;Lightemittingdiodes;LEDefficiencies;Testmethod;IECstandards;Opticalradiationmeasurement;Standardization1引言1.1标准立项背景随着全球对节能减排和绿色照明需求的日益增长，发光二极管（LightEmittingDiode,LED）凭借其高光效、长寿命、低功耗等突出优势，已在通用照明、汽车照明、显示背光、信号指示及医疗健康等众多领域得到广泛应用。根据国际能源署（IEA）的统计，LED产品在全球照明市场的渗透率已超过50%，且仍保持快速上升趋势。在这一产业背景下，LED器件的光电转换效率作为衡量其性能优劣的核心指标，直接关系到终端产品的能效等级评定和市场准入。然而，在IECTR60747-5-12:2021发布之前，国际标准化组织尚未就LED效率的试验方法形成统一的技术规范。不同制造商、检测机构和研究单位在效率测试中采用的测量条件、积分球配置、光辐射采集方式及计算模型存在显著差异，导致同一LED样品在不同实验室测得的效率数值偏差可达10%以上。这种测试方法和评价标准的不统一，不仅严重制约了LED产品的国际流通与贸易互认，也对企业研发过程中的性能对标和质量控制造成了极大困扰，建立统一的LED效率试验方法国际标准成为产业界和学术界的共同呼声。1.2标准立项意义IECTR60747-5-12:2021的制定与发布，是国际半导体器件标准化进程中的一个重要里程碑。首先，该标准首次在国际层面上系统性地规范了LED效率参数的测试条件、测量程序和计算方法，为全球LED产业提供了统一的"度量衡"，有效解决了长期以来因测试方法不一致导致的技术指标不可比问题。其次，标准的实施将为各国能效监管政策的制定提供技术支撑，有助于推动高效LED产品的市场推广和低效产品的淘汰退出。此外，该技术报告所建立的测试方法体系也为后续LED可靠性、光生物安全等配套标准的制定奠定了方法学基础。2标准概述2.1标准基本信息IECTR60747-5-12:2021由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）正式发布，发布日期为2021年10月13日，标准状态为现行有效。该标准属于IEC60747系列标准框架下的第5-12部分，归属于半导体器件-光电子器件分类体系。标准全文采用英语编写，以电子版加密PDF格式发行。在IEC标准体系中，该文件采用技术报告（TechnicalReport,TR）的形式发布，编号中的"TR"标识表明其内容侧重于提供技术信息和指导，而非规范性要求。这一发布形式赋予了标准更大的灵活性，使其能够及时反映LED技术快速演进对测试方法提出的新需求，同时为后续转化为国际标准（IS）积累技术基础。2.2标准适用范围该标准明确规定了LED效率试验的通用方法，适用于各类半导体发光二极管器件，涵盖可见光波段LED、紫外LED及红外LED等不同光谱范围的产品。标准所涵盖的效率参数主要包括：-外量子效率（ExternalQuantumEfficiency,EQE）：单位时间内器件出射的光子数与注入的电子-空穴对数量之比，反映器件将电能转化为光能的综合能力；其数学表达式为EQE=P_opt/(hν·I)，其中P_opt为输出光功率，hν为单光子能量，I为注入电流，q为电子电荷，e为元电荷。-功率效率（PowerEfficiency）：器件输出的光功率与输入的电功率之比，又称能量转换效率，表达式为η_power=P_opt/(I·V)，其中V为正向工作电压。-壁插效率（Wall-PlugEfficiency,WPE）：综合考虑驱动电路损耗后，器件或模组从电源端获取的总电功率转化为光功率的效率，即η_WPE=P_opt/P_electric。上述三种效率参数从不同维度描述了LED的能量转换性能，在实际应用中需根据测试目的选择相应的评价指标。标准同时明确了各参数测试所需的环境条件（如环境温度25℃±1℃）、电学驱动方式（直流或脉冲）、光学测量几何条件等试验要求。3标准核心内容分析3.1LED效率关键参数的试验方法体系IECTR60747-5-12:2021的核心贡献在于构建了一套完整的LED效率试验方法体系。该体系以光辐射度量和电学参数测量为基础，通过严密的计算模型将原始测量数据转化为标准化的效率数值。在外量子效率测试方面，标准规定采用积分球法或变角光度法测量LED的总辐射通量。积分球法利用积分球内壁高反射涂层的多次反射特性，将LED出射的空间分布光辐射均匀化，通过球壁上的探测器窗口测量总光通量。标准对积分球的直径选择（通常不小于被测LED最大尺寸的5倍）、内壁涂层反射率（在可见光波段应不低于95%）、挡屏设计（防止直射光到达探测器）等关键参数给出了详细的技术要求。变角光度法作为一种替代方案，通过在高精度旋转台上逐点测量LED在不同空间角度上的辐射强度，再经数值积分获得总辐射通量，适用于对测量精度要求更高的计量场景。在功率效率测试方面，标准强调了对LED正向电压和注入电流的精确控制。标准要求使用四线制开尔文连接方式消除接触电阻和引线电阻的影响，电压测量精度应优于0.1%，电流稳定度应在±0.5%以内。同时，针对大功率LED在持续通电条件下的自热效应问题，标准推荐采用脉冲驱动模式（脉宽不超过1ms，占空比不超过1%）配合瞬态测量技术，以获取器件在结温接近环境温度条件下的本征效率。3.2试验条件与测量装置标准对LED效率测试的试验条件提出了系统而严格的要求。在环境控制方面，标准规定测试环境温度应控制在25℃±1℃，相对湿度不超过65%RH；对于需要进行高温或低温测试的场景，标准给出了温箱内的温度均匀性和稳定度指标（±2℃以内）。在电学驱动方面，标准要求直流电源的纹波系数不超过0.5%，以避免电源纹波引入的测量误差。在光学测量装置方面，标准详细规定了辐射通量测量系统的计量溯源要求。辐射度计和光谱仪需定期经国家计量机构或认可校准实验室溯源于国际单位制（SI），校准周期不超过12个月。对于光谱辐射通量的测量，标准推荐采用基于光谱辐射度法（spectroradiometricmethod）的测量方案，即通过测量LED的相对光谱功率分布，并结合一个已知光谱辐照度的标准灯进行绝对定标，由此计算得到辐射通量。在涉及光通量（即按人眼视见函数加权的辐射通量）测量时，标准指出可采用光度探头配合光谱校正因子进行测量，校正因子的计算应基于LED实际光谱分布与标准illuminantA的相对偏差。3.3参数计算与数据处理方法标准在数据处理方面给出了严谨的数学框架。对于外量子效率的计算，需要同步获取器件的输出光功率（或光子数）和注入电流密度，并引入LED有源区的内量子效率和光提取效率等物理参数进行综合分析。标准明确指出，外量子效率的数值计算应考虑LED发射光谱的峰值波长和谱宽对光子能量的影响，推荐采用光谱加权平均光子能量而非峰值光子能量进行计算，以提高效率数值的准确性。为了消除测量过程中的系统误差，标准引入了不确定度评定框架，要求测试报告提供扩展不确定度（k=2，置信概率约95%）。不确定度的来源分析涵盖标准器校准不确定度、光谱测量不确定度、电学测量不确定度、温度控制不确定度及重复性不确定度等分量。这一要求使LED效率的测试结果具有完整的计量溯源性，为不同实验室间的比对和互认提供了统计基础。标准还通过附录形式给出了典型的LED效率测量不确定度评估示例——在采用积分球法测量白光LED的情况下，总辐射通量的合成标准不确定度约为1.8%~2.5%，对应的外量子效率扩展不确定度约为4%~6%（k=2）。4标准起草单位及技术贡献4.1主要起草单位概况IECTR60747-5-12:2021的制定汇聚了全球半导体光电器件领域顶尖研究机构和龙头企业的技术力量。其中，日本产业技术综合研究所（NationalInstituteofAdvancedIndustrialScienceandTechnology,AIST）作为该标准的主要起草单位之一，在标准研制过程中发挥了核心引领作用。日本产业技术综合研究所是日本最大的公共研究机构，隶属于日本经济产业省，其前身可追溯至1882年成立的地质调查所。AIST在光电子计量领域拥有超过三十年的研究积累，其计量标准综合中心（NMIJ）是日本国家计量院，负责建立和维护光辐射量值的国家基准。AIST的LED计量实验室在LED总辐射通量测量、光谱辐射度校准及量值国际比对等方面具有世界领先的技术水平，曾多次主导开展国际关键比对（如CCPR-K2系列比对），其测量能力在国际计量局（BIPM）的关键比对数据库中获得了最高等级的评价。4.2技术贡献与组织协调在IECTR60747-5-12:2021的研制过程中，AIST承担了多项关键任务。在标准框架构建阶段，AIST专家基于其在LED计量领域长期积累的科研成果，提出了以辐射度学量（而非光度学量）为核心建立LED效率试验方法体系的技术思路，这一方案最终被标准采纳，有效避免了不同光谱分布LED因光度加权差异而导致的效率数值不可比问题。在关键技术指标确定方面，AIST提供了大量基于其国家基准装置的实验数据，包括不同封装形式LED（贴片式、直插式、COB及倒装芯片等）的空间辐射分布特征、积分球挡屏尺寸的最优化设计参数及光谱辐射度法的校准不确定性数据，这些数据为标准中技术指标的最终确定提供了坚实的实验依据。此外，AIST还承担了标准草案的国际协调工作。在其推动下，来自德国联邦物理技术研究院（PTB）、美国国家标准与技术研究院（NIST）、中国计量科学研究院（NIM）等国家计量院以及飞利浦、欧司朗、日亚化学、科锐等国际知名LED企业的专家就测试条件的一致化、脉冲测量的标准化及不确定度评定方法等分歧较大的议题达成了技术共识，为标准文本的顺利通过奠定了基础。5标准实施的意义与挑战5.1产业应用价值IECTR60747-5-12:2021的实施对LED产业链各环节均具有重要的应用价值。对于LED芯片和封装企业，该标准提供了统一的效率测试基准，使企业能够在同一尺度下进行产品性能的横向对比和纵向追踪，从而为工艺优化和新品研发提供了准确的评价工具。对于LED应用产品制造商（如灯具、显示屏、汽车前照灯企业），该标准帮助其更准确地评估和筛选上游器件，并为终端产品的能效申报和能效标识提供可靠的数据支撑。对于第三方检测认证机构，该标准为其开展LED效率检测服务提供了规范的作业依据，有利于提升检测结果的公信力和国际互认度。从国际贸易的视角来看，该标准的实施消除了因测试方法差异形成的技术性贸易壁垒。以往由于各国LED效率测试标准不统一，同一产品在不同国家市场需要按照不同方法进行重复测试，既增加了企业的合规成本，也延缓了产品进入国际市场的进程。IECTR60747-5-12:2021作为国际统一的效率试验方法标准，为全球LED市场的互联互通扫清了重要障碍。5.2推广应用面临的挑战尽管该标准的技术内容已经过广泛论证和严格审查，但在实际推广应用过程中仍面临若干挑战。首先，标准中推荐的高精度测试设备（如大口径积分球、高性能光谱仪、高精度电源与电表等）购置和维护成本较高，对中小型企业的实验室建设构成一定的经济压力。其次，标准对测试人员的专业技能提出了较高要求，无论是光谱辐射度法的操作还是测量不确定度的评定，均需要具备扎实的光度学和电子学基础，而当前行业内此类专业检测人才仍相对紧缺。第三，随着LED技术的持续发展，Micro-LED、量子点LED、钙钛矿LED等新型光电器件不断涌现，其微尺寸、窄发射光谱或高亮度等特性对现有测试方法提出了新的适配需求，标准体系的后续更新完善仍需持续投入。6结论与展望IECTR60747-5-12:2021作为国际电工委员会在LED效率试验方法领域发布的首个系统性技术文件，标志着全球LED效率评价从"各自为政"走向"统一规范"的重要转折。该标准创新性地构建了以辐射度学为基础、以光谱加权计算为核心的LED效率测量方法框架，通过明确试验条件、规范测量装置、统一计算模型，有效解决了长期困扰行业的LED效率测试结果不可比问题。标准所引入的不确定度评定要求，进一步将LED效率测量提升至现代计量学的规范化水平，为测试结果的国际互认奠定了技术基础。参考文献[1]IECTR60747-5-12:2021,Semiconductordevices–Part5-12:Optoelectronicdevices–Lightemittingdiodes–TestmethodofLEDefficiencies,InternationalElectrotechnicalCommission,