LED应用于照明领域的可靠性及成本分析(精)

1、LED 应用于照明领域的可靠性及成本分析近年来，由于LED的技术发展迅速，主要性能指标有很大提高，目前LED器件的发光效超过200lm/W,产业化水平达110120lm/W，可以作为光源在照明领域推广应用，目前已进入室外景观照明、功能性照明、商用照明 等领域。在应用过程中，有几个主要技术和成本问题，如LED照明灯具的能效还不高，LED白光的光色在某些照明场合还不合适，LED灯具的可靠性还不高，有些产品寿命很短，另外LED灯具的价格目前普遍偏高等，这些问题有待进一步解决和提高。业界同行对LED光源的可靠性和成本问题比较重视，均在努力解决之中。本文也将着重对这两个问题进行较为详细的描述及分析。一、

2、LED照明灯具可靠性有关LED照明灯具的分类、性能指标及可靠性等，美国“能源之星”中已有很具体的规定1,可靠性指标中，主要规定LED照明灯具寿命3.5万小时，在全寿命期内色度变化在CIE1976(u，v)中0.007以内。美国SSL计划中规定白光LED器件寿命在2010-2015年中为5万小时。 国内对LED照明灯具的寿命要求一般也提 到33.5万小时。上述提到LED灯具寿命和色保持度的指标，从目前来看是很高的，实际上很多 求，因为LED灯具所涉及的技术问题很多、很复杂，其中主要是系统可靠性问题，包含 驱动电源模块、散热和灯具的可靠性。以下分别对这些问题进行分析:1.LED灯具可靠性相关内容介

3、绍在分析LED灯具可靠性之前，先对LED可靠性有关的基本内容作些介绍，将对 有所帮助。(1)本质失效、从属失效LED器件失效一般分为二种：本质失效和从属失效。本质失效指的是LED芯片引起的失效，又分为电漂移和离子热扩散失效。从属失效一般由封装结构材料、工艺引起，即封装结构和用的环氧、硅胶、导电胶、荧光 粉、焊接、引线、工艺、温度等因素引起的。(2 )十度法则某些电子器件在一定温度范围内，温度每升高10C，其主要技术指标下降一半(或下降 1/4)。实践证明，LED 器件热沉温度在 50C至 80C时，LED 寿 命值基本符合十度法则。最近也有媒体报道：LED 器件温度每上升 2C，其寿命下降 1

4、0%，当温度从 63C上升至 74C时，平均寿命下降 3/4。因为器件封装工艺不 同，完全可能出现这种现象。(3)寿命的含义LED 寿命是指在规定工作条件下，光输出功率或光通量衰减到初始值的70%的工作时间，同时色度变化保持在 0.007 内。LED灯具还达不到这个要LED芯片、封装器件、LED灯具可靠性的深入分析LED 平均寿命的意义是 LED 产品失效前的工作时间的平均值，用 MTTF 来表示，它是电子器件最常用的可靠性参数。可靠性试验内容包括可靠性筛选、环境试验、寿命试验（长期或短期）。 我们这里所讨论的只是寿命试验，其他项目暂不考虑。（4） 长期寿命试验为了确认 LED 灯具寿命是否达

5、到 3.5 万小时，需要进行长期寿命试验， 目前的做法基本上形成如下共识：因 GaN 基的 LED 器件开始的输出光功率不稳 定，所以按美国 ASSIST 联盟规定，需要电老化 1000 小时后，测得的光功率或光 通量为初始值。之后加额定电流 3000 小时，测量光通量（或光功率）衰减要小于 4%，再加电流 3000小时，光通量衰减要小于 8%，再通电 4000 小时，共 1 万小 时，测得光通量衰减要小于 14%，即光通量达到初始值的 86%以上。此时才可证 明确保 LED 寿命达到 3.5 万小时。（5） 加速（短期）寿命试验电子器件加速寿命试验可以在加大应力（电功率或温度）下进行试验，这

6、 里要讨论的是采用温度应力的办法，测量计算出来的寿命是LED 平均寿命，即失效前的平均工作时间。采用此方法将会大大地缩短LED 寿命的测试时间，有利于及时改进、提高 LED 可靠性。加温度应力的寿命试验方法在文章2中已详细论 述，主要是引用“亚玛卡西”（yamakoshi ）的发光管光功率缓慢退化公式，通过 退化系数得到不同加速应力温度下 LED 的寿命试验数据，再用“阿伦尼斯”Arrhenius ）方程的数值解析法得到正常应力（室温）下的LED 的平均寿命，简称“退化系数解析法”，该方法采用三个不同应力温度即 165C、175C和 185C下，测量的数据计算出室温下平均寿命的一致性。该试验方

7、法是可靠的，目前已在 这个研究成果上，起草制定“半导体发光二极管寿命的试验方法”标准，国内一些 企业也同时研制加速寿命试验的设备仪器。2. LED器件可靠性LED器件可靠性主要取决于二个部分：外延芯片及器件封装的性能质量， 这二种失效机理完全不一样，现分别叙述。（0 外延芯片的失效影响外延芯片性能及质量的，主要是与外延层特别是P-n结部分的位错和缺陷的数目和分布情况，金属与半导体接触层质量，以及外延层及芯片表面和周边 沾污引起离子数目及状况有关。芯片在加热加电条件下，会逐步引起位错、缺陷、 表面和周边产生电漂移及离子热扩散，使芯片失效，正是上面所说的本质失效。要 提高外延芯片可靠性指标，从根本

8、上要降低外延生长过程中产生的位错和缺陷以及 外延层表面和周边的沾污，提高金属与半导体接触质量，从而提高工作寿命的时 间。目前有报道，对裸芯片作加速寿命试验，并进行推算，一般寿命达10万小时以上，甚至几十万小时。(2)器件封装的失效有报道称：LED器件失效大约70%以上是由封装引起，所以封装技术对LED器件来说是关键技术。有关LED器件封装技术在文章3、中有详细论述，所以在 此不作介绍，只简要分析有关LED器件封装的可靠性问题。LED封装引起的失效是从 其原因很复杂，主要来源有三部分：其一，封装材料不佳引起，如环氧、硅胶、荧光粉、基座、导电胶、固晶其二，封装结构设计不合理，如材料不匹配、产生应力

9、、引起断裂、开路 其三，圭寸装工艺不合适，如装片、压焊、点胶工艺、固化温度及时间等。为提高器件封装可靠性，首先在原材料选用方面要严格控制材料的质量， 在封装结构上除了考虑出光效率和散热外，还要考虑多种材料结合在一起时的热涨 匹配问题。在封装工艺上，要严格控制每道工序的工艺流程，尽量采用自动化设 备、确保工艺的一致性及重复性，保障LED器件性能和可靠性指标。3. LED驱动电源模块现阶段国内LED驱动电源有较多质量问题，据报道，LED灯具失效，约70%以上是由驱动电源引起，这个问题应引起行内业者的重视。首先来分析电源模块功 能，一般由四部分组成：电源变换：高压变低压、交流变直流、稳压、稳流。驱动

10、电路：分立器件或集成电路能输出较大功率组成的电路。控制电路：控制光通量、光色调、定时开关及智能控制等。保护电路：保护电路内容太多，如过压保护、过热保护、短路保护、输出 开路保护、低压锁存、抑制电磁干扰、传导噪声、防静电、防雷击、防浪涌、防谐 波振荡等。作为 LED 驱动模块的功能，电源变换和驱动电路一定要有，控制电路要 看实际需求而定，保护电路要根据实际产品可靠性的需要来确定，采取保护电路， 需要增加费用，这与电源的成本是矛盾的。有报道称，如果电源成本每瓦平均23元，其性价比还是较高。如何提高驱动电源模块质量，确保LED 灯具的可靠性，原则上应采取以下几点措施：其一，电源模块必须选用品质好的电

11、子元器件其二，整体线路设计合理，包含电源变换、驱动电路、控制电路和保护电属失效,材料等。其三，选用合适的保护电路，既可保护模块性能质量，又不增加太多的成 本。根据现有电源驱动模块的质量水平，要确保 LED 灯具寿命达到 3.5 万小 时，其难度是很大的。4.散热问题LED 照明灯具的可靠性(寿命)很大程度上取决于散热水平，所以提高 散热水平是关键技术之一。主要是解决芯片产生多余热量通过热沉、散热体传出 去，这是个很复杂的技术问题。下面将分别叙述：(1)功率 LED 定义哪些 LED 需要考虑散热问题，功率 LED 需要散热。功率 LED 是指工作 电流在100mA 以上的发光二极管。是我国行标

12、参照美国 ASSIST 联盟定义的，按 现有二种 LED的正向电压典型值 2.1V 及 3.3V，即输入功率在 210mw 及 330mw 以上的 LED 均为功率LED，都需要考虑器件热散问题，有些人可能有不同看法，但实践证明，要提高功率 LED的可靠性(寿命)，就要考虑功率 LED 的散热问 题。(2)散热有关参数与 LED 散热有关的主要参数有热阻、结温和温升等。a. 热阻热阻是指器件的有效温度与外部规定参考点温度之差除以器件中的稳态功率耗散所得的商。它是表示器件散热程度的最重要参数。目前散热较好的功率 LED 热阻w10C/W，国内报道最好的热阻5C/W，国外可达热阻3C/W，如做 到

13、这个水平可确保功率 LED 的寿命。b. 结温结温是指 LED 器件中主要发热部分的半导体结的温度。它是体现LED 器件在工作条件下，能否承受的温度值。为此美国SSL 计划制定提高耐热性目标，如表 1 所示：表 1 美国 SSL 计划制定提高耐热性目标2007年2012年2020年使得对散热条件要求降低。从表中显示，芯片及荧光粉的耐热性还是很高的，目前已经达到芯片结温 在150C下，荧光粉在 130C下，基本对器件的寿命不会有什么影响。说明芯片荧 光粉耐热性愈高，对散热的要求就愈低。c.温升温升有几种不同的温升，我们这里所讨论的是：管壳-环境温升。它是指LED 器件管壳（LED 灯具可测到的最

14、热点）温度与环境（在灯具发光平面上，距 灯具 0.5米处）温度之差。它是一个可以直接测量到的温度值，并可直接体现LED 器件外围散热程度，实践已证明，在环境温度为 30C时，如果测得 LED 管壳 为60C,其温升应为 30C,此时基本上可确保 LED 器件的寿命值，如温升过 高，LED 光源的维持率将会大幅度下降。d. 散热新问题随着 LED 照明产品的发展，有二种新的技术：其一，为了增大单管的光 通量，注入更大的电流密度，如下面所提，以致芯片产生更多的热量，需要散热。 其二，封装新结构，随着 LED 光源功率的增大，需要多个功率 LED 芯片集合封装 在一起，如 COB结构、模块化灯具等，

15、会产生更多的热量，需要更有效的散热结 构及措施，这又给散热提出新课题，否则会极大地影响LED 灯具的性能及寿命。综上所述，一定要提高散热水平，但近期有人提出“随着 LED 光效提 高，散热就不重要”，我认为这是不对的，因为 LED 灯具做得很好，其总能效也 只是 50%，还有很多电能要变成热。其次，LED 大电流密度和模块化灯具等都会 产生更多集中的余热，需要很好散热。为提高散热水平提出几点原则性意见：其一，从LED芯片来说，要采取新结构、新工艺，提高LED芯片结温的耐热性，以及其他材料的耐热性,目标输入功率密度w/cmz300600500700 6001000芯片温度C）1251751752

16、25200250荧光粉温度（C）100150150200 175225四个具体办法。其二，降低LED器件的热阻，采用封装新结构、新工艺，选用导热性、耐热性较好的新材料，包含金属之 间粘合材料、荧光粉的混合胶等，使得热阻w10C/W或更低。其三，降低升温，尽量采用导热性好的散热材料，在设计上要求有较好的通风孔道，使余热尽快散岀去，要求升温应小于30C。另外，提高模块化灯具的散热水平应提到日程上来。其四，散热的办法很多，如采用热导管，当然很好，但要考虑成本因素，在设计时应考虑性价比问题。此外，LED灯具的设计除了要提高灯具效率、配光要求、外形美观之外，要提高散热水平，采用导热好的材料，有报道称，散

17、热体涂上某些纳米材料，其导热性能增加30%另外，要有较好的机械性能和密封性，散热体还要防尘，要求LED灯具的温升应小30C。二、LED照明灯具的成本问题LED光源是否能全面进入照明领域，其光源的成本是最关键的，从目前看，不同LED产品，比传统产品的成本差价还有510倍，而且由于主要技术指标还要进一步提高，不断提岀采用新结构、新材料、新技术、新 工艺，这无疑给LED成本带来新的压力。根据美国SSL计划提出的要求，2015年达到集成价格2美元/klm。 从目前的成本价位，要求成本每年平均下降20%,基本上可以达到上述指标，这是非常艰巨的任务，下面从二个层面提岀几点降低成本的方法，供大家讨论。1.规

18、模化生产及提高成品率采用自动化设备进行大规模生产，可大幅度提高生产效率、节省费用、降低成本。另外，采用工艺措施和 质保体系的管理办法来提高成品率，同样是降低成本的好办法。2.技术创新降低成本要降低成本重点要从技术上进行创新，采用新结构、新技术、新材料、新工艺，既可提高LED性能指标,又可有效地大幅度降低成本，这是努力的方向，以下介绍几个办法。(1)外延芯片降低成本办法从现阶段来看，LED芯片的成本占LED光源的比例是较高的，要重点从外延芯片上下功夫降低成本，介绍其一，增大外延片面积：外延生长的园片面积，从目前采用2寸及部分4寸已瞄准目标向6寸进军，虽然外延芯片面积增大，在技术上要克服片子的均匀

19、性、龟裂、变形等岀现的新问题，但降低成本非常显著。另 外，生产MOCVI的厂家目前还正在研发8寸圆片的设备。其二，改进外延生长：Veeco亚洲总裁王克扬介绍从MOCV的良品、工艺、架构着手，具体对平均无故障间隔时间（MTBF，平均清洁间隔时间（MTBC、平均修复时间（MTTR这三种时间进行改进，以及设备间匹 配性和线上工艺控制，可提高产量，使外延片的成本从2009年的1美元/cm2降至2014年的0.2美元/cm2。其三，增加电流密度：国外几个主要公司均在研发增加LED正向电流的电流密度，来提高单颗功率LED发光的光通量，以达到同样照度时而减少LED的数量，当然会牺牲部分光效，如果从目前正向电流350mA增到2A时，光通量可增加45倍，成本将大幅度下降。当然还要解决结温耐热性、封装材料耐热性及散热等新问 题。其四，降低开启电压VF:目前GaN开启电压VF的典型值为3.3V，国外正在研发降低VF值，如果达2.8V之内，当输入功率降低时可获得同样的光通量（光效），即能效提高，节约成本。（2）LED封装改进LED封装工艺，采用新结构、新材料、新工艺，提高LED封装成品率，降低LED封装成本，是封装企业始终努力的目标。现另介绍一些降低封装成本