LED照明灯具可靠性简介及其分析

1、LED照明灯具可靠性简介及其分析LED灯具所涉及技术问题很多、 很复杂，其中主要是系统可靠性问题， 包含LED芯片、封装器件、驱动电源模块、散热和灯具可靠性。以下分别 对这些问题进展分析：灯具可靠性相关内容介绍在分析LED灯具可靠性之前，先对 LED可靠性有关根本内容作些 介绍，将对LED灯具可靠性深入分析有所帮助。(1)本质失效、附属失效LED器件失效一般分为二种：本质失效和附属失效。本质失效指是LED芯片引起失效，又分为电漂移和离子热扩散失效。附属失效一般由封装构造材料、工艺引起，即封装构造和用环氧、硅胶、导电胶、荧光粉、 焊接、引线、工艺、温度等因素引起。(2)十度法那么某些电子器件在一

2、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寿命值根本符合十度法那么。最近也有媒体报道：LED器件温度每上升2C,其寿命下降10%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70%工作时间，同时色度变化保持在内。LED平均寿命意义是LED产品失效前工作时间平均值，用MTT眯 表示，它是电子器件最常用可靠性参数。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

3、讨论只是寿命试验，其他工程暂不考虑。（4）长期寿命试验为了确认LED灯具寿命是否到达万小时，需要进展长期寿命试验， 目前做法根本上形成如下共识：因GaN LED器件开场输出光功率不稳定， 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%即光通量到达初始值 86% 以上。此时才可证明确保 LED寿命到达万小时。（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

4、温度）下进展试 验,这里要讨论是采用温度应力方法， 测量计算出来寿命是LED平均寿命， 即失效前平均工作时间。采用此方法将会大大地缩短LED寿命测试时间，有利于及时改良、提高 LED可靠性。加温度应力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）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寿命试验数据，再用“阿伦尼斯 （Arrhenius）方程数值解析法得到正常应力 （室温）下LED 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，测量数据计算出室温下平均寿命一致性。该试验方法是可靠，目前已在

5、这个研究成果上，起草制定“半导体发光二极管 寿命试验方法标准，国内一些企业也同时研制加速寿命试验设备仪器。LED器件可靠性LED器件可靠性主要取决于二个局部：外延芯片及器件封装性能质量，这二种失效机理完全不一样，现分别表达。(1)外延芯片失效影响外延芯片性能及质量，主要是与外延层特别是P-n结局部位错和缺陷数目和分布情况，金属与半导体接触层质量，以及外延层及芯片 外表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、外表和周边产生电漂移及离子热扩散，使芯片失效， 正是上面所说本质失效。要提高外延芯片可靠性指标，从根本上要降低外 延生长过程中产生位错和缺陷以及外延层

6、外表和周边沾污，提高金属与半 导体接触质量，从而提高工作寿命时间。目前有报道，对裸芯片作加速寿 命试验，并进展推算，一般寿命达10万小时以上，甚至几十万小时。(2)器件封装失效有报道称：LED器件失效大约70姒上是由封装引起，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、4中 有详细论述，所以在此不作介绍，只简要分析有关LED器件封装可靠性问题。LED封装引起失效是附属失效，其原因很复杂，主要来源有三局部：其一，封装材料不佳引起，如环氧、硅胶、荧光粉、基座、导电 胶、固晶材料等。其二，封装构造设计不合理，如材料不匹配、产生应力、引起断裂、开路等。其三，封装工艺不适

7、宜，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 质量，在封装构造上除了考虑出光效率和散热外，还要考虑多种材料结合 在一起时热涨匹配问题。在封装工艺上，要严格控制每道工序工艺流程， 尽量采用自动化设备、确保工艺一致性及重复性，保障LED器件性能和可靠性指标。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姒上是由驱动电源引起，这个问题应引起行内业者重视。首先 来分析电源模块功能，一般由四局部组成：电源变换：高压变低压、交流变直流、稳压、稳流。驱动电路：分立器件或集成电路能输出较大功率组成电路。控制电

8、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需要来确定，采取 保护电路，需要增加费用，这与电源本钱是矛盾。有报道称，如果电源本钱每瓦平均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灯具可靠性，原那么上应采取以下几点措施：其一，电源模块必须选用品质好电子元器件。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

9、保护电路。其三，选用适宜保护电路，既可保护模块性能质量，又不增加太 多本钱。根据现有电源驱动模块质量水平，要确保LED灯具寿命到达万小时，其难度是很大。散热问题LED照明灯具可靠性(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，这是个很复杂技术问题。下面将分别表达：(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100mAz上发光二极管。是我国行标参照美国ASSIST联盟定义，按现有二种LED正向电压典型值及，即输入功率在 210mw汲330mw以 上LED均为功率LED,都

10、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可靠性(寿命)，就要考虑功率LED散热问题。(2)散热有关参数与LED散热有关主要参数有热阻、结温和温升等。a.热阻热阻是指器件有效温度与外部规定参考点温度之差除以器件中稳态功率耗散所得商。它是表示器件散热程度最重要参数。目前散热较好功 率LED热阻& 10c /W,国内报道最好热阻& 5c /W,国外可达热阻W 3c /W, 如做到这个水平可确保功率 LED寿命。b.结温结温是指LED器件中主要发热局部半导体结温度。它是表达LED器件在工作条件下，能否承受温度值。为此美国SSL方案制定提高耐热性目标，如表1所不：表1美

11、国SSL方案制定提高耐热性目标目碌如口 T年加12年2(120输入功率密度3ag 飞 on-1*500700r*600 1000芯片温度（令,人If- W!Fr * is丁 rry江近50荧光新温度（C 1J从表中显示，芯片及荧光粉耐热性还是很高，目前已经到达芯片 结温在150c下，荧光粉在130c下，根本对器件寿命不会有什么影响。 说明芯片荧光粉耐热性愈高，对散热要求就愈低。c.温升温升有几种不同温升， 我们这里所讨论是：管壳-环境温升。它是 指LED器件管壳（LED灯具可测到最热点）温度与环境（在灯具发光平面上， 距灯具米处）温度之差。它是一个可以直接测量到温度值

12、，并可直接表达 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60 C,其温升应为30C,此时根本上可确保 LED器件寿命值，如 温升过高，LED光源维持率将会大幅度下降。d.散热新问题随着LED照明产品开展，有二种新技术：其一，为了增大单管光 通量，注入更大电流密度，如下面所提，以致芯片产生更多热量，需要散 热。其二，封装新构造，随着 LED光源功率增大，需要多个功率 LED芯片 集合封装在一起，如 COB勾造、模块化灯具等，会产生更多热量，需要更 有效散热构造及措施，这又给散热提出新课题，否那么会极大地影响LED灯具性能及寿命。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，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余热，需要很好散热。为提高散热水平提出 几点原那么性意见：其一，从LED芯片来说，要采取新构造、新工艺，提高LED芯片结温耐热性，以及其他材料耐热性，使得对散热条件要求降低。其二，降低LED器件热阻，采用封装新构造、新工艺，选用导热 性、耐热性较好新材料，包含金属之间粘合材料、荧光粉混合胶等，使得 热阻0 10C/W或更低。其三，降低升温，尽量采用导热性好散热材料，在设计上要求有 较好通风孔道，使