LED照明燈具可靠性測(cè)試方法及成本控制-

1、LED照明燈具可靠性測(cè)試方法及成本控制近年來(lái),由于LED的技術(shù)發(fā)展迅速,主要性能指標(biāo)有很大提高,目前LED器件的發(fā)光效超過(guò)200lm/W,產(chǎn)業(yè)化水平達(dá)110120lm/W,可以作為光源在照明領(lǐng)域推廣應(yīng)用,目前已進(jìn)入室外景觀照明、功能性照明、商用照明等領(lǐng)域。在應(yīng)用過(guò)程中,有幾個(gè)主要技術(shù)和成本問(wèn)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(chǎng)合還不合適,LED燈具的可靠性還不高,有些產(chǎn)品壽命很短,另外LED燈具的價(jià)格目前普遍偏高等,這些問(wèn)題有待進(jìn)一步解決和提高。業(yè)界同行對(duì)LED光源的可靠性和成本問(wèn)題比較重視,均在努力解決之中。本文也將著重對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行較為詳細(xì)的描述及分析。一、LE

2、D照明燈具可靠性有關(guān)LED照明燈具的分類、性能指標(biāo)及可靠性等,美國(guó)“能源之星”中已有很具體的規(guī)定1,可靠性指標(biāo)中,主要規(guī)定LED照明燈具壽命3.5萬(wàn)小時(shí),在全壽命期內(nèi)色度變化在CIE1976(u,v中0.007以內(nèi)。美國(guó)SSL計(jì)劃中規(guī)定白光LED器件壽命在2010-2015年中為5萬(wàn)小時(shí)。國(guó)內(nèi)對(duì)LED照明燈具的壽命要求一般也提到33.5萬(wàn)小時(shí)。上述提到LED燈具壽命和色保持度的指標(biāo),從目前來(lái)看是很高的,實(shí)際上很多LED燈具還達(dá)不到這個(gè)要求,因?yàn)長(zhǎng)ED燈具所涉及的技術(shù)問(wèn)題很多、很復(fù)雜,其中主要是系統(tǒng)可靠性問(wèn)題,包含LED芯片、封裝器件、驅(qū)動(dòng)電源模塊、散熱和燈具的可靠性。以下分別對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分析

3、:1.LED燈具可靠性相關(guān)內(nèi)容介紹在分析LED燈具可靠性之前,先對(duì)LED可靠性有關(guān)的基本內(nèi)容作些介紹,將對(duì)LED燈具可靠性的深入分析有所幫助。(1本質(zhì)失效、從屬失效LED器件失效一般分為二種:本質(zhì)失效和從屬失效。本質(zhì)失效指的是LED芯片引起的失效,又分為電漂移和離子熱擴(kuò)散失效。從屬失效一般由封裝結(jié)構(gòu)材料、工藝引起,即封裝結(jié)構(gòu)和用的環(huán)氧、硅膠、導(dǎo)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(nèi),溫度每升高10,其主要技術(shù)指標(biāo)下降一半(或下降1/4。實(shí)踐證明,LED器件熱沉溫度在50至80時(shí),LED壽命值基本符合十度法則。最近也有媒體報(bào)道:LED器件溫度每

4、上升2,其壽命下降10%,當(dāng)溫度從63上升至74時(shí),平均壽命下降3/4。因?yàn)槠骷庋b工藝不同,完全可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。(3壽命的含義LED壽命是指在規(guī)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(shí)間,同時(shí)色度變化保持在0.007內(nèi)。LED平均壽命的意義是LED產(chǎn)品失效前的工作時(shí)間的平均值,用MTTF來(lái)表示,它是電子器件最常用的可靠性參數(shù)。可靠性試驗(yàn)內(nèi)容包括可靠性篩選、環(huán)境試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)(長(zhǎng)期或短期。我們這里所討論的只是壽命試驗(yàn),其他項(xiàng)目暫不考慮。(4長(zhǎng)期壽命試驗(yàn)為了確認(rèn)LED燈具壽命是否達(dá)到3.5萬(wàn)小時(shí),需要進(jìn)行長(zhǎng)期壽命試驗(yàn),目前的做法基本上形成如下共識(shí):因GaN基的LED器件開(kāi)始

5、的輸出光功率不穩(wěn)定,所以按美國(guó)ASSIST聯(lián)盟規(guī)定,需要電老化1000小時(shí)后,測(cè)得的光功率或光通量為初始值。之后加額定電流3000小時(shí),測(cè)量光通量(或光功率衰減要小于4%,再加電流3000小時(shí),光通量衰減要小于8%,再通電4000小時(shí),共1萬(wàn)小時(shí),測(cè)得光通量衰減要小于14%,即光通量達(dá)到初始值的86%以上。此時(shí)才可證明確保LED壽命達(dá)到3.5萬(wàn)小時(shí)。(5加速(短期壽命試驗(yàn)電子器件加速壽命試驗(yàn)可以在加大應(yīng)力(電功率或溫度下進(jìn)行試驗(yàn),這里要討論的是采用溫度應(yīng)力的辦法,測(cè)量計(jì)算出來(lái)的壽命是LED平均壽命,即失效前的平均工作時(shí)間。采用此方法將會(huì)大大地縮短LED 壽命的測(cè)試時(shí)間,有利于及時(shí)改進(jìn)、提高LE

6、D可靠性。加溫度應(yīng)力的壽命試驗(yàn)方法在文章2中已詳細(xì)論述,主要是引用“亞瑪卡西”(yamakoshi的發(fā)光管光功率緩慢退化公式,通過(guò)退化系數(shù)得到不同加速應(yīng)力溫度下LED的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù),再用“阿倫尼斯”(Arrhenius方程的數(shù)值解析法得到正常應(yīng)力(室溫下的LED 的平均壽命,簡(jiǎn)稱“退化系數(shù)解析法”,該方法采用三個(gè)不同應(yīng)力溫度即165、175和185下,測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算出室溫下平均壽命的一致性。該試驗(yàn)方法是可靠的,目前已在這個(gè)研究成果上,起草制定“半導(dǎo)體發(fā)光二極管壽命的試驗(yàn)方法”標(biāo)準(zhǔn),國(guó)內(nèi)一些企業(yè)也同時(shí)研制加速壽命試驗(yàn)的設(shè)備儀器。 2. LED器件可靠性LED器件可靠性主要取決于二個(gè)部分:外延芯片

7、及器件封裝的性能質(zhì)量,這二種失效機(jī)理完全不一樣,現(xiàn)分別敘述。(1外延芯片的失效影響外延芯片性能及質(zhì)量的,主要是與外延層特別是P-n結(jié)部分的位錯(cuò)和缺陷的數(shù)目和分布情況,金屬與半導(dǎo)體接觸層質(zhì)量,以及外延層及芯片表面和周邊沾污引起離子數(shù)目及狀況有關(guān)。芯片在加熱加電條件下,會(huì)逐步引起位錯(cuò)、缺陷、表面和周邊產(chǎn)生電漂移及離子熱擴(kuò)散,使芯片失效,正是上面所說(shuō)的本質(zhì)失效。要提高外延芯片可靠性指標(biāo),從根本上要降低外延生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的位錯(cuò)和缺陷以及外延層表面和周邊的沾污,提高金屬與半導(dǎo)體接觸質(zhì)量,從而提高工作壽命的時(shí)間。目前有報(bào)道,對(duì)裸芯片作加速壽命試驗(yàn),并進(jìn)行推算,一般壽命達(dá)10萬(wàn)小時(shí)以上,甚至幾十萬(wàn)小時(shí)。(2

8、器件封裝的失效有報(bào)道稱:LED器件失效大約70%以上是由封裝引起,所以封裝技術(shù)對(duì)LED器件來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵技術(shù)。有關(guān)LED器件封裝技術(shù)在文章3、4中有詳細(xì)論述,所以在此不作介紹,只簡(jiǎn)要分析有關(guān)LED器件封裝的可靠性問(wèn)題。LED封裝引起的失效是從屬失效,其原因很復(fù)雜,主要來(lái)源有三部分:其一,封裝材料不佳引起,如環(huán)氧、硅膠、熒光粉、基座、導(dǎo)電膠、固晶材料等。其二,封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,如材料不匹配、產(chǎn)生應(yīng)力、引起斷裂、開(kāi)路等。其三,封裝工藝不合適,如裝片、壓焊、點(diǎn)膠工藝、固化溫度及時(shí)間等。為提高器件封裝可靠性,首先在原材料選用方面要嚴(yán)格控制材料的質(zhì)量,在封裝結(jié)構(gòu)上除了考慮出光效率和散熱外,還要考慮多種材料

9、結(jié)合在一起時(shí)的熱漲匹配問(wèn)題。在封裝工藝上,要嚴(yán)格控制每道工序的工藝流程,盡量采用自動(dòng)化設(shè)備、確保工藝的一致性及重復(fù)性,保障LED器件性能和可靠性指標(biāo)。 3. LED驅(qū)動(dòng)電源模塊現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)LED驅(qū)動(dòng)電源有較多質(zhì)量問(wèn)題,據(jù)報(bào)道,LED燈具失效,約70%以上是由驅(qū)動(dòng)電源引起,這個(gè)問(wèn)題應(yīng)引起行內(nèi)業(yè)者的重視。首先來(lái)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(wěn)壓、穩(wěn)流。驅(qū)動(dòng)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(diào)、定時(shí)開(kāi)關(guān)及智能控制等。保護(hù)電路:保護(hù)電路內(nèi)容太多,如過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、短路保護(hù)、輸出開(kāi)路保護(hù)、低壓鎖存、抑制電磁干擾、傳導(dǎo)噪聲

10、、防靜電、防雷擊、防浪涌、防諧波振蕩等。作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)模塊的功能,電源變換和驅(qū)動(dòng)電路一定要有,控制電路要看實(shí)際需求而定,保護(hù)電路要根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品可靠性的需要來(lái)確定,采取保護(hù)電路,需要增加費(fèi)用,這與電源的成本是矛盾的。有報(bào)道稱,如果電源成本每瓦平均23元,其性價(jià)比還是較高。如何提高驅(qū)動(dòng)電源模塊質(zhì)量,確保LED燈具的可靠性,原則上應(yīng)采取以下幾點(diǎn)措施:其一,電源模塊必須選用品質(zhì)好的電子元器件。其二,整體線路設(shè)計(jì)合理,包含電源變換、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路和保護(hù)電路。其三,選用合適的保護(hù)電路,既可保護(hù)模塊性能質(zhì)量,又不增加太多的成本。根據(jù)現(xiàn)有電源驅(qū)動(dòng)模塊的質(zhì)量水平,要確保LED燈具壽命達(dá)到3.5萬(wàn)小時(shí),其難度

11、是很大的。4.散熱問(wèn)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(guān)鍵技術(shù)之一。主要是解決芯片產(chǎn)生多余熱量通過(guò)熱沉、散熱體傳出去,這是個(gè)很復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。下面將分別敘述:(1功率LED定義(2散熱有關(guān)參數(shù)與LED散熱有關(guān)的主要參數(shù)有熱阻、結(jié)溫和溫升等。a.熱阻熱阻是指器件的有效溫度與外部規(guī)定參考點(diǎn)溫度之差除以器件中的穩(wěn)態(tài)功率耗散所得的商。它是表示器件散熱程度的最重要參數(shù)。目前散熱較好的功率LED熱阻10/W,國(guó)內(nèi)報(bào)道最好的熱阻5/W,國(guó)外可達(dá)熱阻3/W,如做到這個(gè)水平可確保功率LED的壽命。b.結(jié)溫結(jié)溫是指LED器件中主要發(fā)熱部分的半導(dǎo)體結(jié)的溫度。它是體現(xiàn)LED器件

12、在工作條件下,能否承受的溫度值。為此美國(guó)SSL計(jì)劃制定提高耐熱性目標(biāo),如表1所示: 表1 美國(guó)SSL計(jì)劃制定提高耐熱性目標(biāo)從表中顯示,芯片及熒光粉的耐熱性還是很高的,目前已經(jīng)達(dá)到芯片結(jié)溫在150下,熒光粉在130下,基本對(duì)器件的壽命不會(huì)有什么影響。說(shuō)明芯片熒光粉耐熱性愈高,對(duì)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(huán)境溫升。它是指LED器件管殼(LED燈具可測(cè)到的最熱點(diǎn)溫度與環(huán)境(在燈具發(fā)光平面上,距燈具0.5米處溫度之差。它是一個(gè)可以直接測(cè)量到的溫度值,并可直接體現(xiàn)LED器件外圍散熱程度,實(shí)踐已證明,在環(huán)境溫度為30時(shí),如果測(cè)得LED 管殼為60,其溫升應(yīng)為

13、30,此時(shí)基本上可確保LED器件的壽命值,如溫升過(guò)高,LED光源的維持率將會(huì)大幅度下降。d.散熱新問(wèn)題隨著LED照明產(chǎn)品的發(fā)展,有二種新的技術(shù):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(chǎn)生更多的熱量,需要散熱。其二,封裝新結(jié)構(gòu),隨著LED光源功率的增大,需要多個(gè)功率LED芯片集合封裝在一起,如COB結(jié)構(gòu)、模塊化燈具等,會(huì)產(chǎn)生更多的熱量,需要更有效的散熱結(jié)構(gòu)及措施,這又給散熱提出新課題,否則會(huì)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(rèn)為這是不對(duì)的,因?yàn)長(zhǎng)ED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(huì)產(chǎn)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(diǎn)原則性意見(jiàn):其一,從LED芯片來(lái)說(shuō),要采取新結(jié)構(gòu)、新工藝,提高LED芯片結(jié)溫的耐熱性,以及其他材料的耐熱性,使得對(duì)散熱條件要求降低。其二,降低LED器件的熱阻,采用封裝新結(jié)構(gòu)、新工藝,選用導(dǎo)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(dǎo)熱性好的散熱材料,在設(shè)計(jì)上要求有較好的通風(fēng)孔道,使余熱盡快散出去,要求升溫應(yīng)小于30。另外,提高模塊化燈具的散熱水平應(yīng)提到日程上來(lái)。其四,散熱的辦法很多,如采用熱導(dǎo)管,當(dāng)然很

15、好,但要考慮成本因素,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮性價(jià)比問(wèn)題。此外,LED燈具的設(shè)計(jì)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(dǎo)熱好的材料,有報(bào)道稱,散熱體涂上某些納米材料,其導(dǎo)熱性能增加30%。另外,要有較好的機(jī)械性能和密封性,散熱體還要防塵,要求LED燈具的溫升應(yīng)小30。二、LED照明燈具的成本問(wèn)題LED光源是否能全面進(jìn)入照明領(lǐng)域,其光源的成本是最關(guān)鍵的,從目前看,不同LED產(chǎn)品,比傳統(tǒng)產(chǎn)品的成本差價(jià)還有510倍,而且由于主要技術(shù)指標(biāo)還要進(jìn)一步提高,不斷提出采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)、新工藝,這無(wú)疑給LED成本帶來(lái)新的壓力。根據(jù)美國(guó)SSL計(jì)劃提出的要求,2015年達(dá)到集成價(jià)格2美元/klm。從目前的成本價(jià)位,要求成本每年平均下降