LED照明燈具可靠性測試方法和本錢控制

近年來，由于LED技術開展迅速，主要性能指標有很大提高，目前LED器件發光效超過200lm/W，產業化水平達110~120lm/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，有幾個主要技術和本錢問題，如LED照明燈具能效還不高，LED白光光色在某些照明場合還不適宜，LED燈具可靠性還不高，有些產品壽命很短，另外LED燈具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光源可靠性和本錢問題比擬重視，均在努力解決之中。本文也將著重對這兩個問題進展較為詳細描述及分析。一、LED照明燈具可靠性有關LED照明燈具分類、性能指標及可靠性等，美國“能源之星〞中已有很具體規定[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方案中規定白光LED器件壽命在2021-2021年中為5萬小時。國內對LED照明燈具壽命要求一般也提到3~3.5萬小時。上述提到LED燈具壽命和色保持度指標，從目前來看是很高，實際上很多LED燈具還達不到這個要求，因為LED燈具所涉及技術問題很多、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、散熱和燈具可靠性。以下分別對這些問題進展分析：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可靠性有關根本內容作些介紹，將對LED燈具可靠性深入分析有所幫助。〔1〕本質失效、附屬失效LED器件失效一般分為二種：本質失效和附屬失效。本質失效指是LED芯片引起失效，又分為電漂移和離子熱擴散失效。附屬失效一般由封裝構造材料、工藝引起，即封裝構造和用環氧、硅膠、導電膠、熒光粉、焊接、引線、工藝、溫度等因素引起?！?〕十度法那么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壽命值根本符合十度法那么。最近也有媒體報道：LED器件溫度每上升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70%工作時間，同時色度變化保持在0.007內。LED平均壽命意義是LED產品失效前工作時間平均值，用MTTF來表示，它是電子器件最常用可靠性參數?？煽啃栽囼瀮热莅煽啃院Y選、環境試驗、壽命試驗〔長期或短期〕。我們這里所討論只是壽命試驗，其他工程暫不考慮?！?〕長期壽命試驗為了確認LED燈具壽命是否到達3.5萬小時，需要進展長期壽命試驗，目前做法根本上形成如下共識：因GaN基LED器件開場輸出光功率不穩定，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%，即光通量到達初始值86%以上。此時才可證明確保LED壽命到達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〕下進展試驗，這里要討論是采用溫度應力方法，測量計算出來壽命是LED平均壽命，即失效前平均工作時間。采用此方法將會大大地縮短LED壽命測試時間，有利于及時改良、提高LED可靠性。加溫度應力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〕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壽命試驗數據，再用“阿倫尼斯〞〔Arrhenius〕方程數值解析法得到正常應力〔室溫〕下LED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，測量數據計算出室溫下平均壽命一致性。該試驗方法是可靠，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試驗方法〞標準，國內一些企業也同時研制加速壽命試驗設備儀器。

2.LED器件可靠性LED器件可靠性主要取決于二個局部：外延芯片及器件封裝性能質量，這二種失效機理完全不一樣，現分別表達?！?〕外延芯片失效影響外延芯片性能及質量，主要是與外延層特別是P-n結局部位錯和缺陷數目和分布情況，金屬與半導體接觸層質量，以及外延層及芯片外表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、外表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位錯和缺陷以及外延層外表和周邊沾污，提高金屬與半導體接觸質量，從而提高工作壽命時間。目前有報道，對裸芯片作加速壽命試驗，并進展推算，一般壽命達10萬小時以上，甚至幾十萬小時?！?〕器件封裝失效有報道稱：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器件封裝可靠性問題。LED封裝引起失效是附屬失效，其原因很復雜，主要來源有三局部：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，封裝構造設計不合理，如材料不匹配、產生應力、引起斷裂、開路等。其三，封裝工藝不適宜，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質量，在封裝構造上除了考慮出光效率和散熱外，還要考慮多種材料結合在一起時熱漲匹配問題。在封裝工藝上，要嚴格控制每道工序工藝流程，盡量采用自動化設備、確保工藝一致性及重復性，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重視。首先來分析電源模塊功能，一般由四局部組成：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電路?？刂齐娐罚嚎刂乒馔?、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、防靜電、防雷擊、防浪涌、防諧波振蕩等。作為LED驅動模塊功能，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需要來確定，采取保護電路，需要增加費用，這與電源本錢是矛盾。有報道稱，如果電源本錢每瓦平均2~3元，其性價比還是較高。如何提高驅動電源模塊質量，確保LED燈具可靠性，原那么上應采取以下幾點措施：其一，電源模塊必須選用品質好電子元器件。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，選用適宜保護電路，既可保護模塊性能質量，又不增加太多本錢。根據現有電源驅動模塊質量水平，要確保LED燈具壽命到達3.5萬小時，其難度是很大。LED照明燈具可靠性〔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，這是個很復雜技術問題。下面將分別表達：〔1〕功率LED定義哪些LED需要考慮散熱問題，功率LED需要散熱。功率LED是指工作電流在100mA以上發光二極管。是我國行標參照美國ASSIST聯盟定義，按現有二種LED正向電壓典型值2.1V及3.3V，即輸入功率在210mw及330mw以上LED均為功率LED，都需要考慮器件熱散問題，有些人可能有不同看法，但實踐證明，要提高功率LED可靠性〔壽命〕，就要考慮功率LED散熱問題。

〔2〕散熱有關參數與LED散熱有關主要參數有熱阻、結溫和溫升等。a．熱阻熱阻是指器件有效溫度與外部規定參考點溫度之差除以器件中穩態功率耗散所得商。它是表示器件散熱程度最重要參數。目前散熱較好功率LED熱阻≤10℃/W，國內報道最好熱阻≤5℃/W，國外可達熱阻≤3℃/W，如做到這個水平可確保功率LED壽命。b．結溫結溫是指LED器件中主要發熱局部半導體結溫度。它是表達LED器件在工作條件下，能否承受溫度值。為此美國SSL方案制定提高耐熱性目標，如表1所示：表1

美國SSL方案制定提高耐熱性目標

從表中顯示，芯片及熒光粉耐熱性還是很高，目前已經到達芯片結溫在150℃下，熒光粉在130c．溫升溫升有幾種不同溫升，我們這里所討論是：管殼－環境溫升。它是指LED器件管殼〔LED燈具可測到最熱點〕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溫度值，并可直接表達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30℃，此時根本上可確保LED器件壽命值，如溫升過高，LED光源維持率將會大幅度下降。

d．散熱新問題隨著LED照明產品開展，有二種新技術：其一，為了增大單管光通量，注入更大電流密度，如下面所提，以致芯片產生更多熱量，需要散熱。其二，封裝新構造，隨著LED光源功率增大，需要多個功率LED芯片集合封裝在一起，如COB構造、模塊化燈具等，會產生更多熱量，需要更有效散熱構造及措施，這又給散熱提出新課題，否那么會極大地影響LED燈具性能及壽命。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，因為LED燈具做得很好，其總能效也只是50%，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余熱，需要很好散熱。為提高散熱水平提出幾點原那么性意見：其一，從LED芯片來說，要采取新構造、新工藝，提高LED芯片結溫耐熱性，以及其他材料耐熱性，使得對散熱條件要求降低。其二，降低LED器件熱阻，采用封裝新構造、新工藝，選用導熱性、耐熱性較好新材料，包含金屬之間粘合材料、熒光粉混合膠等，使得熱阻≤10℃/W或更低。其三，降低升溫，盡量采用導熱性好散熱材料，在設計上要求有較好通風孔道，使余熱盡快散出去，要求升溫應小于30℃。另外，提高模塊化燈具散熱水平應提到日程上來。其四，散熱方法很多，如采用熱導管，當然很好，但要考慮本錢因素，在設計時應考慮性價比問題。此外，LED燈具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，要有較好機械性能和密封性，散熱體還要防塵，要求LED燈具溫升應小30℃。二、LED照明燈具本錢問題LED光源是否能全面進入照明領域，其光源本錢是最關鍵，從目前看，不同LED產品，比傳統產品本錢差價還有5~10倍，而且由于主要技術指標還要進一步提高，不斷提出采用新構造、新材料、新技術、新工藝，這無疑給LED本錢帶來新壓力。根據美國SSL方案提出要求，2021年到達集成價格2美元/klm。從目前本錢價位，要求本錢每年平均下降20%，根本上可以到達上述指標，這是非常艱巨任務，下面從二個層面提出幾點降低本錢方法，供大家討論。采用自動化設備進展大規模生產，可大幅度提高生產效率、節省費用、降低本錢。另外，采用工藝措施和質保體系管理方法來提高成品率，同樣是降低本錢好方法。

要降低本錢重點要從技術上進展創新，采用新構造、新技術、新材料、新工藝，既可提高LED性能指標，又可有效地大幅度降低本錢，這是努力方向，以下介紹幾個方法?！?〕外延芯片降低本錢方法從現階段來看，LED芯片本錢占LED光源比例是較高，要重點從外延芯片上下功夫降低本錢，介紹四個具體方法。其一，增大外延片面積：外延生長園片面積，從目前采用2寸及局部4寸已瞄準目標向6寸進軍，雖然外延芯片面積增大，在技術上要克制片子均勻性、龜裂、變形等出現新問題，但降低本錢非常顯著。另外，生產MOCVD廠家目前還正在研發8寸圓片設備。其二，改良外延生長：Veeco亞洲總裁王克揚介紹從MOCVD良品、工藝、架構著手，具體對平均無故障間隔時間〔MTBF〕，平均清潔間隔時間〔MTBC〕、平均修復時間〔MTTR〕這三種時間進展改良，以及設備間匹配性和線上工藝控制，可提高產量，使外延片本錢從2021年1美元/cm2降至2021年0.2美元/cm2。其三，增加電流密度：國外幾個主要公司均在研發增加LED正向電流電流密度，來提高單顆功率LED發光光通量，以到達同樣照度時而減少LED數量，當然會犧牲局部光效，如果從目前正向電流350mA增到2A時，光通量可增加4~5倍，本錢將大幅度下降。當然還要解決結溫耐熱性、封裝材料耐熱性及散熱等新問題。其四，降低開啟電壓VF：目前GaN開啟電壓VF典型值為3.3V，國外正在研發降低VF值，如果達2.8V之內，當輸入功率降低時可獲得同樣光通量〔光效〕，即能效提高，節約本錢。〔2〕LED封裝改良LED封裝工藝，采用新構造、新材料、新工藝，提高LED封裝成品率，降低LED封裝本錢，是封裝企業始終努力目標?，F另介紹一些降低封裝本錢方法。其一，封裝材料與