1、LED照明燈具可靠性測試方法及成本控制近年來,由于LED的技術發展迅速,主要性能指標有很大提高,目前LED器件的發光效超過200lm/W,產業化水平達110120lm/W,可以作為光源在照明領域推廣應用,目前已進入室外景觀照明、功能性照明、商用照明等領域。在應用過程中,有幾個主要技術和成本問題,如LED照明燈具的能效還不高,LED白光的光色在某些照明場合還不合適,LED燈具的可靠性還不高,有些產品壽命很短,另外LED燈具的價格目前普遍偏高等,這些問題有待進一步解決和提高。業界同行對LED光源的可靠性和成本問題比較重視,均在努力解決之中。本文也將著重對這兩個問題進行較為詳細的描述及分析。一、LE

2、D照明燈具可靠性有關LED照明燈具的分類、性能指標及可靠性等,美國“能源之星”中已有很具體的規定1,可靠性指標中,主要規定LED照明燈具壽命3.5萬小時,在全壽命期內色度變化在CIE1976(u,v中0.007以內。美國SSL計劃中規定白光LED器件壽命在2010-2015年中為5萬小時。國內對LED照明燈具的壽命要求一般也提到33.5萬小時。上述提到LED燈具壽命和色保持度的指標,從目前來看是很高的,實際上很多LED燈具還達不到這個要求,因為LED燈具所涉及的技術問題很多、很復雜,其中主要是系統可靠性問題,包含LED芯片、封裝器件、驅動電源模塊、散熱和燈具的可靠性。以下分別對這些問題進行分析

3、:1.LED燈具可靠性相關內容介紹在分析LED燈具可靠性之前,先對LED可靠性有關的基本內容作些介紹,將對LED燈具可靠性的深入分析有所幫助。(1本質失效、從屬失效LED器件失效一般分為二種:本質失效和從屬失效。本質失效指的是LED芯片引起的失效,又分為電漂移和離子熱擴散失效。從屬失效一般由封裝結構材料、工藝引起,即封裝結構和用的環氧、硅膠、導電膠、熒光粉、焊接、引線、工藝、溫度等因素引起的。(2十度法則某些電子器件在一定溫度范圍內,溫度每升高10,其主要技術指標下降一半(或下降1/4。實踐證明,LED器件熱沉溫度在50至80時,LED壽命值基本符合十度法則。最近也有媒體報道:LED器件溫度每

4、上升2,其壽命下降10%,當溫度從63上升至74時,平均壽命下降3/4。因為器件封裝工藝不同,完全可能出現這種現象。(3壽命的含義LED壽命是指在規定工作條件下,光輸出功率或光通量衰減到初始值的70%的工作時間,同時色度變化保持在0.007內。LED平均壽命的意義是LED產品失效前的工作時間的平均值,用MTTF來表示,它是電子器件最常用的可靠性參數。可靠性試驗內容包括可靠性篩選、環境試驗、壽命試驗(長期或短期。我們這里所討論的只是壽命試驗,其他項目暫不考慮。(4長期壽命試驗為了確認LED燈具壽命是否達到3.5萬小時,需要進行長期壽命試驗,目前的做法基本上形成如下共識:因GaN基的LED器件開始

5、的輸出光功率不穩定,所以按美國ASSIST聯盟規定,需要電老化1000小時后,測得的光功率或光通量為初始值。之后加額定電流3000小時,測量光通量(或光功率衰減要小于4%,再加電流3000小時,光通量衰減要小于8%,再通電4000小時,共1萬小時,測得光通量衰減要小于14%,即光通量達到初始值的86%以上。此時才可證明確保LED壽命達到3.5萬小時。(5加速(短期壽命試驗電子器件加速壽命試驗可以在加大應力(電功率或溫度下進行試驗,這里要討論的是采用溫度應力的辦法,測量計算出來的壽命是LED平均壽命,即失效前的平均工作時間。采用此方法將會大大地縮短LED 壽命的測試時間,有利于及時改進、提高LE

6、D可靠性。加溫度應力的壽命試驗方法在文章2中已詳細論述,主要是引用“亞瑪卡西”(yamakoshi的發光管光功率緩慢退化公式,通過退化系數得到不同加速應力溫度下LED的壽命試驗數據,再用“阿倫尼斯”(Arrhenius方程的數值解析法得到正常應力(室溫下的LED 的平均壽命,簡稱“退化系數解析法”,該方法采用三個不同應力溫度即165、175和185下,測量的數據計算出室溫下平均壽命的一致性。該試驗方法是可靠的,目前已在這個研究成果上,起草制定“半導體發光二極管壽命的試驗方法”標準,國內一些企業也同時研制加速壽命試驗的設備儀器。 2. LED器件可靠性LED器件可靠性主要取決于二個部分:外延芯片

7、及器件封裝的性能質量,這二種失效機理完全不一樣,現分別敘述。(1外延芯片的失效影響外延芯片性能及質量的,主要是與外延層特別是P-n結部分的位錯和缺陷的數目和分布情況,金屬與半導體接觸層質量,以及外延層及芯片表面和周邊沾污引起離子數目及狀況有關。芯片在加熱加電條件下,會逐步引起位錯、缺陷、表面和周邊產生電漂移及離子熱擴散,使芯片失效,正是上面所說的本質失效。要提高外延芯片可靠性指標,從根本上要降低外延生長過程中產生的位錯和缺陷以及外延層表面和周邊的沾污,提高金屬與半導體接觸質量,從而提高工作壽命的時間。目前有報道,對裸芯片作加速壽命試驗,并進行推算,一般壽命達10萬小時以上,甚至幾十萬小時。(2

8、器件封裝的失效有報道稱:LED器件失效大約70%以上是由封裝引起,所以封裝技術對LED器件來說是關鍵技術。有關LED器件封裝技術在文章3、4中有詳細論述,所以在此不作介紹,只簡要分析有關LED器件封裝的可靠性問題。LED封裝引起的失效是從屬失效,其原因很復雜,主要來源有三部分:其一,封裝材料不佳引起,如環氧、硅膠、熒光粉、基座、導電膠、固晶材料等。其二,封裝結構設計不合理,如材料不匹配、產生應力、引起斷裂、開路等。其三,封裝工藝不合適,如裝片、壓焊、點膠工藝、固化溫度及時間等。為提高器件封裝可靠性,首先在原材料選用方面要嚴格控制材料的質量,在封裝結構上除了考慮出光效率和散熱外,還要考慮多種材料

9、結合在一起時的熱漲匹配問題。在封裝工藝上,要嚴格控制每道工序的工藝流程,盡量采用自動化設備、確保工藝的一致性及重復性,保障LED器件性能和可靠性指標。 3. LED驅動電源模塊現階段國內LED驅動電源有較多質量問題,據報道,LED燈具失效,約70%以上是由驅動電源引起,這個問題應引起行內業者的重視。首先來分析電源模塊功能,一般由四部分組成:電源變換:高壓變低壓、交流變直流、穩壓、穩流。驅動電路:分立器件或集成電路能輸出較大功率組成的電路。控制電路:控制光通量、光色調、定時開關及智能控制等。保護電路:保護電路內容太多,如過壓保護、過熱保護、短路保護、輸出開路保護、低壓鎖存、抑制電磁干擾、傳導噪聲

10、、防靜電、防雷擊、防浪涌、防諧波振蕩等。作為LED驅動模塊的功能,電源變換和驅動電路一定要有,控制電路要看實際需求而定,保護電路要根據實際產品可靠性的需要來確定,采取保護電路,需要增加費用,這與電源的成本是矛盾的。有報道稱,如果電源成本每瓦平均23元,其性價比還是較高。如何提高驅動電源模塊質量,確保LED燈具的可靠性,原則上應采取以下幾點措施:其一,電源模塊必須選用品質好的電子元器件。其二,整體線路設計合理,包含電源變換、驅動電路、控制電路和保護電路。其三,選用合適的保護電路,既可保護模塊性能質量,又不增加太多的成本。根據現有電源驅動模塊的質量水平,要確保LED燈具壽命達到3.5萬小時,其難度

11、是很大的。4.散熱問題LED照明燈具的可靠性(壽命很大程度上取決于散熱水平,所以提高散熱水平是關鍵技術之一。主要是解決芯片產生多余熱量通過熱沉、散熱體傳出去,這是個很復雜的技術問題。下面將分別敘述:(1功率LED定義(2散熱有關參數與LED散熱有關的主要參數有熱阻、結溫和溫升等。a.熱阻熱阻是指器件的有效溫度與外部規定參考點溫度之差除以器件中的穩態功率耗散所得的商。它是表示器件散熱程度的最重要參數。目前散熱較好的功率LED熱阻10/W,國內報道最好的熱阻5/W,國外可達熱阻3/W,如做到這個水平可確保功率LED的壽命。b.結溫結溫是指LED器件中主要發熱部分的半導體結的溫度。它是體現LED器件

12、在工作條件下,能否承受的溫度值。為此美國SSL計劃制定提高耐熱性目標,如表1所示: 表1 美國SSL計劃制定提高耐熱性目標從表中顯示,芯片及熒光粉的耐熱性還是很高的,目前已經達到芯片結溫在150下,熒光粉在130下,基本對器件的壽命不會有什么影響。說明芯片熒光粉耐熱性愈高,對散熱的要求就愈低。c.溫升溫升有幾種不同的溫升,我們這里所討論的是:管殼-環境溫升。它是指LED器件管殼(LED燈具可測到的最熱點溫度與環境(在燈具發光平面上,距燈具0.5米處溫度之差。它是一個可以直接測量到的溫度值,并可直接體現LED器件外圍散熱程度,實踐已證明,在環境溫度為30時,如果測得LED 管殼為60,其溫升應為

13、30,此時基本上可確保LED器件的壽命值,如溫升過高,LED光源的維持率將會大幅度下降。d.散熱新問題隨著LED照明產品的發展,有二種新的技術:其一,為了增大單管的光通量,注入更大的電流密度,如下面所提,以致芯片產生更多的熱量,需要散熱。其二,封裝新結構,隨著LED光源功率的增大,需要多個功率LED芯片集合封裝在一起,如COB結構、模塊化燈具等,會產生更多的熱量,需要更有效的散熱結構及措施,這又給散熱提出新課題,否則會極大地影響LED燈具的性能及壽命。綜上所述,一定要提高散熱水平,但近期有人提出“隨著LED光效提高,散熱就不重要”,我認為這是不對的,因為LED燈具做得很好,其總能效也只是50%

14、,還有很多電能要變成熱。其次,LED大電流密度和模塊化燈具等都會產生更多集中的余熱,需要很好散熱。為提高散熱水平提出幾點原則性意見:其一,從LED芯片來說,要采取新結構、新工藝,提高LED芯片結溫的耐熱性,以及其他材料的耐熱性,使得對散熱條件要求降低。其二,降低LED器件的熱阻,采用封裝新結構、新工藝,選用導熱性、耐熱性較好的新材料,包含金屬之間粘合材料、熒光粉的混合膠等,使得熱阻10/W或更低。其三,降低升溫,盡量采用導熱性好的散熱材料,在設計上要求有較好的通風孔道,使余熱盡快散出去,要求升溫應小于30。另外,提高模塊化燈具的散熱水平應提到日程上來。其四,散熱的辦法很多,如采用熱導管,當然很

15、好,但要考慮成本因素,在設計時應考慮性價比問題。此外,LED燈具的設計除了要提高燈具效率、配光要求、外形美觀之外,要提高散熱水平,采用導熱好的材料,有報道稱,散熱體涂上某些納米材料,其導熱性能增加30%。另外,要有較好的機械性能和密封性,散熱體還要防塵,要求LED燈具的溫升應小30。二、LED照明燈具的成本問題LED光源是否能全面進入照明領域,其光源的成本是最關鍵的,從目前看,不同LED產品,比傳統產品的成本差價還有510倍,而且由于主要技術指標還要進一步提高,不斷提出采用新結構、新材料、新技術、新工藝,這無疑給LED成本帶來新的壓力。根據美國SSL計劃提出的要求,2015年達到集成價格2美元/klm。從目前的成本價位,要求成本每年平均下降