- 簡析LED燈具可靠性測試方法及成本控制問題
- 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)上考慮出光效率和散熱
- 并考慮多種材料結(jié)合在一起時(shí)的熱漲匹配問題
近年來，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200lm/W,產(chǎn)業(yè)化水平達(dá)110~120lm/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。
近年來，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200lm/W,產(chǎn)業(yè)化水平達(dá)110~120lm/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)用過程中，有幾個(gè)主要技術(shù)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(chǎn)品壽命很短，另外LED燈具的價(jià)格目前普遍偏高等，這些問題有待進(jìn)一步解決和提高。業(yè)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(gè)問題進(jìn)行較為詳細(xì)的描述及分析。
一、LED燈具可靠性
有關(guān)LED燈具的分類、性能指標(biāo)及可靠性等，美國“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SSL計(jì)劃中規(guī)定白光LED器件壽命在2010-2015年中為5萬小時(shí)。國內(nèi)對LED照明燈具的壽命要求一般也提到3~3.5萬小時(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ED燈具所涉及的技術(shù)問題很多、很復(fù)雜，其中主要是系統(tǒng)可靠性問題，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。以下分別對這些問題進(jìn)行分析：
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LED可靠性有關(guān)的基本內(nèi)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(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）長期壽命試驗(yàn)
為了確認(rèn)LED燈具壽命是否達(dá)到3.5萬小時(shí)，需要進(jìn)行長期壽命試驗(yàn)，目前的做法基本上形成如下共識(shí)：因GaN基的LED器件開始的輸出光功率不穩(wěn)定，所以按美國ASSIST聯(lián)盟規(guī)定，需要電老化1000小時(shí)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(shí)，測量光通量（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1萬小時(shí)，測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，測量計(jì)算出來的壽命是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壽命的測試時(shí)間，有利于及時(shí)改進(jìn)、提高LED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。
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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過程中產(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)10萬小時(shí)以上，甚至幾十萬小時(shí)。
（2）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LED器件來說是關(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，只簡要分析有關(guān)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(fù)雜，主要來源有三部分：
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，還要考慮多種材料結(jié)合在一起時(shí)的熱漲匹配問題。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)。
