LED光源加速壽命實驗

1、研究課題：LED光源加速壽命試驗姓名：羅星光班級：工業(yè)工程121班學(xué)號：5404312104目錄1.LED光源相關(guān)簡介11.1什么是LED光源11.2LED光源的發(fā)光原理21.3LED光源的優(yōu)點及存在的問題21.4LED壽命定義32.LED光源使用壽命的影響因素32.1散熱效果對LED壽命的影響32.2驅(qū)動電源對LED壽命的影響42.3 LED芯片對LED壽命的影響43.加速壽命試驗方案43.1壽命試驗的種類53.2加速壽命試驗的基本原理53.3加速壽命試驗的過程63.4加速壽命試驗的方法63.5LED光源加速壽命試驗方案73.5.1電流加速壽命試驗方案73.5.2溫度加速壽命試驗方案84.L

2、ED燈具壽命評價方法85.總結(jié)與展望9參考文獻(xiàn)9LED光源加速壽命實驗摘要本文首先對LED光源做了相關(guān)的簡介，描述了LED光源的定義、發(fā)光原理、優(yōu)缺點以及LED壽命的理解。然后對LED光源使用壽命的影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)散熱效果、驅(qū)動電源和LED芯片都會對LED的壽命產(chǎn)生影響。并根據(jù)以上影響因素，從電流和溫度倆個方面角度考慮，制定了LED光源的加速壽命試驗方案。最后，基于LED光源加速壽命試驗方案的設(shè)計，提出了LED燈具壽命的評價方法模糊綜合評價法。因為LED 燈具系統(tǒng)不同于 LED 光源，影響其壽命的因素眾多且復(fù)雜，而且每個因素對它的影響程度都各不相同，模糊綜合評價法可以很好的解決模糊的、難

3、以量化的問題。關(guān)鍵詞： LED光源、使用壽命、影響因素、加速壽命試驗、模糊綜合評價法1.LED光源相關(guān)簡介1.1什么是LED光源LED光源就是發(fā)光二極管（LED）為發(fā)光體的光源。發(fā)光二極管發(fā)明于20世紀(jì)60年代，在隨后的數(shù)十年中，其基本用途是作為收錄機(jī)等電子設(shè)備的指示燈。這種燈泡具有效率高、壽命長的特點，可連續(xù)使用10萬小時，比普通白熾燈泡長100倍。 1.2LED光源的發(fā)光原理LED 是利用半導(dǎo)體 PN 結(jié)或類似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)換成光能的固態(tài)器件，屬于固體冷光源。從電光源的發(fā)展歷程來看，LED 是繼白熾燈、熒光燈和 HID 燈之后的第四代新型光源。1.3LED光源的優(yōu)點及存在的問題LED光源的優(yōu)

4、點：(1）節(jié)能、環(huán)保性。一方面，LED 在使用過程中的能耗低，直流驅(qū)動，電光轉(zhuǎn)換率接近 100%，同樣照明效果 LED 比傳統(tǒng)光源節(jié)能 80%90%。另一方面，LED 的眩光小，無輻射，光譜中沒有多余的紫外線和紅外線，不含汞、鉛等等有害物質(zhì)。因此，LED 是一種“清潔”的光源，最具環(huán)保性，是一種典型的綠色照明光源。 （2）單色性好，色彩鮮艷豐富，燈光清晰柔和，可根據(jù)需要利用計算機(jī)控制技術(shù)，可使 RGB 三基色具有 256 級灰度并混合，從而實現(xiàn)光色豐富多彩，變幻多端。 （3）壽命長。LED 為固態(tài)冷光源，外加封裝，耐沖擊震動，是一種長壽型電光源。LED 的理論壽命經(jīng)國際權(quán)威認(rèn)證可達(dá) 10 萬小

5、時，光源壽命在 2 萬小時以上。 （4）安全可靠。表面溫度60（環(huán)境溫度 25），LED 光源屬于冷光源，工作電壓可設(shè)計在直流、交流（12260V）寬電壓范圍內(nèi)工作。LED光源的不足：（1）光輸出較小或不夠穩(wěn)定。雖然有些廠家的產(chǎn)品已相對較穩(wěn)定，但市場上仍有相當(dāng)部分廠家的燈具產(chǎn)品的實際光通量不足，或者初始光通足但是光衰嚴(yán)重，是其應(yīng)用效果不佳。這一問題需要提高功率型 LED 芯片的光效，熱優(yōu)化管理，以及燈具系統(tǒng)的設(shè)計來進(jìn)行解決。 （2）光源顯示性不夠理想?，F(xiàn)有 LED 光源多采用藍(lán)光激發(fā) YAG 熒光粉的白光 LED，雖然這種 LED 制作工藝成熟、成本低、光效較高，但色溫偏高、顯色指數(shù)低，顯色性

6、并不理想，不能滿足優(yōu)質(zhì)照明要求。白熾燈的發(fā)光效果總是給人一種溫馨的感覺，這是由于其光譜中黃光成分較強(qiáng)。而這種白光 LED 發(fā)出的白光帶有藍(lán)色光成分，在此光照下，物體顏色會失真。 （3）LED 光衰。功率型 LED 在使用過程中溫度上升，會導(dǎo)致工作電壓減小，光強(qiáng)減小，光波長改變，加速光衰，嚴(yán)重縮短 LED 的壽命。對于 LED 燈而言，散熱不僅關(guān)系到 LED 的光效問題，而且關(guān)系 LED 燈具的壽命。為了使其正常工作，提高 LED 芯片的電光轉(zhuǎn)化效率，改善 LED 封裝熱管理，優(yōu)化散熱體以及整燈的設(shè)計，是改善 LED 燈具散熱問題的關(guān)鍵。 （4）成本過高。從目前看，不同 LED 產(chǎn)品，比傳統(tǒng)產(chǎn)品

7、的成本差價還有 510 倍，因為成本的問題，大規(guī)模使用 LED 照明還有很大的困難。為了 LED 要進(jìn)一步進(jìn)駐照明領(lǐng)域，在保證質(zhì)量的前提下還要降低成本。1.4LED壽命定義LED 壽命包括 LED 光源的壽命以及 LED 燈具的壽命。 LED 光源作為一種電光轉(zhuǎn)換的器件，電子空穴對的能帶躍遷產(chǎn)生光子這一物理機(jī)能，理論上是無限長的過程，是壽命的“永久”牌，但任何材料，即使是構(gòu)成 LED 光源的半導(dǎo)體材料，包括它的電極等材料，在長時間的電能，熱能加載下，終究會衰變、老化，最終會喪失原有的機(jī)能，導(dǎo)致“死亡”，也就是失效。因此盡管 LED 光源是固體發(fā)光，也是有它的生存期。一般講，這種器件與其它半導(dǎo)體

8、器件一樣，在理論上講“壽命”很長。 從LED光源來說，評判其是否到壽命不外乎是通過觀察其光輸出的大小來決定的。當(dāng) LED 光源的光輸出衰減到 70%時，便可以認(rèn)為它壽命中止了。注：LED 燈具壽命不同于 LED 光源，其通常由多顆 LED 光源組成。為達(dá)到預(yù)期的光通量和配光效果，它必須根據(jù)每顆 LED 光源的光分布進(jìn)行嚴(yán)格的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。除了光學(xué)系統(tǒng)外，LED 燈具還需要配套的散熱系統(tǒng)和驅(qū)動電源等。2.LED光源使用壽命的影響因素目前大多數(shù) LED 光源失效的原因是因為散熱不夠良好，當(dāng) LED 芯片工作時，會產(chǎn)生大量的熱能。這些熱能散發(fā)不出去，LED 芯片上的熒光粉、電極就會老化，從而使LED

9、 器件的光輸出降低。而對于 LED 燈具而言，影響其壽命不僅有散熱原因，驅(qū)動電源也是導(dǎo)致其失效的重要原因。2.1散熱效果對 LED 壽命的影響與傳統(tǒng)光源一樣，（LED）在工作期間也會產(chǎn)生熱量，但是由于 LED 體積小，因此熱密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光源。大功率 LED 大概只有 20-30%的輸入電能轉(zhuǎn)化為光能，其余70-80%的能量主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點陣振動的形式轉(zhuǎn)化熱能，大功率 LED 產(chǎn)生的大量熱量不及時散出去會加速器件老化，是影響壽命的關(guān)鍵。一旦 LED 的溫度超過最高臨界溫度(如 125)，往往會造成 LED 永久性失效。因此大功率 LED 的散熱非常關(guān)鍵。LED 散熱主要方式有： （1）

10、對電子芯片進(jìn)行冷卻最簡單的辦法就是利用風(fēng)冷散熱器，而該方法也是最直接、成本最低的散熱方式。一般情況，在小功率或中等功率的器件或是電子設(shè)備中，大多使用空氣冷卻或是強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)。目前，如果采用風(fēng)扇和優(yōu)化的大面積熱沉，空氣冷卻技術(shù)的冷卻能力可達(dá) 50W/cm2。 （2）熱管是一種傳熱效率很高的換熱元件，冷、熱流體間的熱量傳遞主要是靠熱管內(nèi)工作介質(zhì)蒸發(fā)或冷凝交變過程而耦合在一起的，它的熱導(dǎo)率可達(dá)金屬導(dǎo)熱率的103104倍。與傳統(tǒng)散熱裝置相比，熱管無需消耗動力、空間尺寸小，另外，它的冷卻能力高，單位面積的傳熱量高。作為一種高效的導(dǎo)熱元件，適合高熱流密度情況下的散熱，正可用于電子元件以獲得高的熱量導(dǎo)出率。

11、目前已知的用于大功率電子元件散熱的熱管式散熱器最高散熱功率已達(dá)到 200W/cm2。2.2驅(qū)動電源對 LED 壽命的影響 為了保證照明級 LED 能夠獲得較高的使用效率，首先需要使其滿足一定的使用條件，其次是需要采用相適應(yīng)的驅(qū)動電路來滿足 LED 工作參數(shù)的要求。驅(qū)動電路是一種專門為 LED 供電的特種電源，應(yīng)具有如下特點： 具有簡單的電路結(jié)構(gòu)、較小的使用體積及較高的轉(zhuǎn)換效率。較高精度的恒流控制、合適的限壓功能。多路輸出時，每一路的輸出都要能夠單獨控制。具有線性度較好的調(diào)光功能，以滿足不同應(yīng)用場合對 LED 發(fā)光亮度調(diào)節(jié)的要求。在異常狀態(tài)時，電路能夠?qū)﹄娐繁旧怼ED 和使用者都有相應(yīng)的保護(hù)作

12、用。驅(qū)動電路工作時，對其他電路的正常工作干擾少，滿足相關(guān)的電磁兼容性要求。 目前大功率 LED 均采用直流驅(qū)動，因此在市電與 LED 之間需要加一個電源適配器，即 LED 驅(qū)動器。它的功能是把交流市電轉(zhuǎn)換成適合 LED 的直流電。LED 的驅(qū)動電路問題是一直制約其壽命以及可靠性的關(guān)鍵問題。在大功率 LED照明產(chǎn)品設(shè)計中，主要采用開關(guān)電容型 LED 驅(qū)動方案，其優(yōu)點雖然是恒流驅(qū)動，但在上電的瞬間會產(chǎn)生過高的起始峰值電壓，很有可能將 LED 擊穿或斷開。因此，要求電源必須具有高可靠性、高驅(qū)動效率和高功率因數(shù)。因此提高 LED 照明產(chǎn)品驅(qū)動電源可靠性，應(yīng)在提高效率方面進(jìn)行研究，采用一級電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高

13、交流電壓到恒流輸出的轉(zhuǎn)變，提高 LED 驅(qū)動電源的效率和功率因數(shù)。2.3LED芯片對LED壽命的影響LED芯片是LED光源的核心部件，它的壽命很大程度上決定著LED燈具的壽命。影響LED芯片壽命的因素有三個，即芯片的晶格缺陷、封裝工藝及熒光粉的質(zhì)量。首先，構(gòu)成LED芯片的材料是晶體。理想的晶體，如果晶格排列得不那么好，有的地方缺行，這種缺陷就會影響LED芯片的壽命。另外，如果LED芯片所摻雜的雜質(zhì)不是我們所需要的雜質(zhì)，也會影響LED光源的壽命。其次，LED的封裝是否合理也是影響芯片壽命的重要因素。大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品工藝封裝仿制較多，這些產(chǎn)品從外形看還可以，但工藝結(jié)構(gòu)和工藝質(zhì)量都較差，因而嚴(yán)重影響

14、了LED的壽命。另外，LED芯片的性能都具有一定的分散性，在封裝之前應(yīng)根據(jù)LED芯片的面積、光效等諸多指標(biāo)進(jìn)行歸類分檔。如果芯片在封裝前不進(jìn)行分檔，封裝后的成品出光率必然參差不齊。這就是說，LED的封裝及封裝之前的分檔也是影響LED壽命的重要因素最后，熒光粉的質(zhì)量同樣影響LED芯片的壽命。目前LED芯片產(chǎn)生白光的方法有多種，其中有兩種方法是通過熒光粉發(fā)白光的。一種方法是在LED藍(lán)光芯片上涂覆YAG熒光粉。由于波長短的光子比波長長的光子能量大，因此，芯片發(fā)出的藍(lán)光（波長短）激發(fā)熒光粉可產(chǎn)生500 nm560 nm的黃綠光（波長較藍(lán)光長），藍(lán)光與黃綠光合成白光。這種方法得到白光的成本較低，但熒光粉

15、的均勻性較難控制，且芯片使用一段時間后，光效和色溫都會有相應(yīng)變化。另一種方法是讓LED芯片發(fā)出紫外線，紫外線再激發(fā)RGB（紅、綠、藍(lán)三基色）熒光粉產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三基色光，三基色光再混合成白光。因為紫外線的光子能量較大，使封裝材料環(huán)氧樹脂容易老化，這也會影響LED芯片的壽命。3.加速壽命試驗方案3.1壽命試驗分為長期壽命試驗和加速壽命試驗長期壽命實驗是指在規(guī)定的工作及環(huán)境條件下，對產(chǎn)品的工作壽命進(jìn)行測試的試驗。通過記錄并分析產(chǎn)品在長期壽命試驗中的壽命信息，即采用額定的工作環(huán)境進(jìn)行壽命試驗，但試驗周期長、成本高。加速壽命試驗是在不改變失效機(jī)理的前提下,用提高應(yīng)力的方法,使元器件或材料加速失效,以便

16、在較短的時間內(nèi)獲得加速情況下的失效率及壽命等數(shù)據(jù),然后推算出在正常狀態(tài)(額定或?qū)嶋H使用狀態(tài))應(yīng)力條件下的可靠性特征量。其優(yōu)點在于提高試驗過程的時間效率和經(jīng)濟(jì)效益，從而以最低的試驗代價達(dá)到壽命評估的目的。3.2加速壽命試驗基本原理設(shè)計加速壽命試驗時,必須深入了解產(chǎn)品使用的極限應(yīng)力環(huán)境和潛在的失效機(jī)理。在進(jìn)行加速壽命試驗之前首先要了解產(chǎn)品的失效機(jī)理和所能承受的最大環(huán)境應(yīng)力,然后從產(chǎn)品在正常使用條件下引起故障和失效的主要因素中（溫度、濕度、電壓、或其它影響產(chǎn)品壽命的應(yīng)力因素）選擇一個或多個作為加速應(yīng)力, ,然后對選擇的加速應(yīng)力設(shè)定多個加速應(yīng)力級別對產(chǎn)品進(jìn)行加速壽命試驗。3.3加速壽命試驗過程加速壽命

17、試驗主要分為兩部分：試驗方案的施行和試驗數(shù)據(jù)的處理。對試驗樣品進(jìn)行加速壽命試驗后，需要選擇適當(dāng)?shù)姆椒▽υ囼灁?shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。主要包括對產(chǎn)品壽命分布函數(shù)的確定及加速模型的選取，并且利用數(shù)理統(tǒng)計理論計算在各個加速應(yīng)力水平下產(chǎn)品的可靠性參數(shù)，以此外推出產(chǎn)品在正常使用條件下的壽命特征。3.4加速壽命試驗的方法目前可靠性加速壽命試驗的方法主要有：恒定應(yīng)力加速壽命試驗、步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗和序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗等，如圖 2.2 所示，它們分別表示了三種基本加速壽命試驗的應(yīng)力加載過程。1）恒定應(yīng)力試驗 恒定應(yīng)力試驗是選定一組加速應(yīng)力水平，如S1,S2,S3，然后將全部樣品按照應(yīng)力水平數(shù)進(jìn)行隨機(jī)分組，每組在

18、一個加速應(yīng)力水平進(jìn)行試驗，直到試驗樣品在該應(yīng)力水平下有一定的失效數(shù)目或到達(dá)規(guī)定時間時結(jié)束試驗，其應(yīng)力加載方式如圖 2.2（a）所示。 2）步進(jìn)應(yīng)力試驗 假定步進(jìn)應(yīng)力試驗的試驗應(yīng)力水平分別為S1,S2,S3，且S1<S2<S3。在試驗過程中，首先對全部試驗樣品施加最低的加速應(yīng)力S1, ，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的截尾時間或截尾數(shù)時，將試驗應(yīng)力步進(jìn)增加到下一個更高的應(yīng)力水平，并繼續(xù)試驗，如此反復(fù)，直至達(dá)到總截尾時間或總截尾數(shù)時結(jié)束試驗，其應(yīng)力加載方式如圖 2.2（b）所示。 3）序進(jìn)應(yīng)力試驗 序進(jìn)應(yīng)力試驗與步進(jìn)應(yīng)力試驗方法類似，其加速應(yīng)力是一個隨時間按線性或其他規(guī)律連續(xù)增加的函數(shù)，直到一定數(shù)量的產(chǎn)品

19、發(fā)生失效。如圖2.2（c）所示。注：本文選擇的試驗方法均為恒定應(yīng)力加速壽命試驗。 3.5LED光源加速壽命試驗研究3.5.1.電流加速壽命試驗方案實驗方法電流加速壽命試驗選取的樣品試驗樣品為某廠家生產(chǎn)的白光 LED 光源，如圖 3.1所示，對此利用電流加速壽命試驗進(jìn)行驗證。在大量的樣品中隨意各選取3只進(jìn)行測試，編號 1-3。分別在額定電流 350mA 和加速電流 600mA、800mA、1A 的條件下對其進(jìn)行電流加速 2000h 的試驗，實驗過程中，利用鋁基板做散熱片對其進(jìn)行散熱處理，同時，將其固定在散熱片上，加大散熱效果。此外對額定電流350mA和加速電流800mA做2000小時的不加散熱片

20、的對比試驗，此時樣品僅利用鋁基板做散熱處理。實驗過程中分 10次通過積分球?qū)ζ涔鈱W(xué)參數(shù)和色度參數(shù)進(jìn)行測量，測試時，對其通以額定電流進(jìn)行測試。實驗使用的加速電源為香港龍威儀器儀表有限公司和江蘇揚中市光揚電子儀器廠生產(chǎn)的直流電源，測試設(shè)備為浙大三色的積分球以及 SL-300 光譜分析儀。3.5.2.溫度加速壽命試驗方案實驗方法溫度加速壽命試驗選取的樣品試驗樣品為不同廠家生產(chǎn)的兩種白光 LED 光源，分別記為樣品 A 和樣品 B。樣品 A 聲稱壽命在 5 萬小時以上，其色溫屬于中性白范圍，而樣品 B 聲稱壽命在 2 萬小時以上，其色溫屬于日光色。在大量的樣品中隨意各選取 5只進(jìn)行測試，編號 1-5。

21、分別在 100和 90的條件下對其進(jìn)行高溫加速 800h 的試驗，每隔 100h 通過積分球?qū)ζ涔鈱W(xué)參數(shù)和色度參數(shù)進(jìn)行測量，測試時，對其通以額定電流進(jìn)行測試。實驗使用的溫度加速設(shè)備為林頻儀器有限公司生產(chǎn)的高低溫交變濕熱試驗箱，測試設(shè)備為浙大三色的積分球以及 SL-300 光譜分析儀。這樣選取樣品和應(yīng)力的原因主要是：一是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行壽命試驗的樣品數(shù)量不能低于 5 個；二是參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行加速壽命試驗的前提是加速應(yīng)力不能破壞樣品內(nèi)部機(jī)制，結(jié)合經(jīng)驗和資料，選擇90和 100二個溫度應(yīng)力。4.LED 燈具壽命評價方法LED 光源的壽命可以通過加速壽命試驗來獲得，而在實際應(yīng)用過程中，人們更為關(guān)注

22、的是 LED 燈具的壽命問題，而非 LED 光源的壽命。但 LED 燈具系統(tǒng)不同于 LED 光源，影響其壽命的因素眾多且復(fù)雜。LED 燈具系統(tǒng)的使用壽命不僅與材料、設(shè)計、工藝和應(yīng)用等因素有關(guān)，還與光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動電源、散熱設(shè)計等不同功能的子系統(tǒng)有密切的關(guān)聯(lián)。因此，要準(zhǔn)確評價整體燈具的壽命，不僅需要科學(xué)評價各個子系統(tǒng)的可靠性，還要科學(xué)地確定各子系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。但需要注意的是，影響 LED 燈具系統(tǒng)壽命的因素眾多而且問題復(fù)雜，在實際運行中還有許多因素目前無法用確切的計算來考量，這就對 LED 燈具的壽命預(yù)測提出了挑戰(zhàn)。模糊綜合評價法是評價 LED 燈具壽命的一種可行方法。第一層因素分別為 LED 光源u1、散熱系統(tǒng)u2、驅(qū)動電源u3、使用環(huán)境u4，即 U=u1，u2，u3，u4=LED 光源，散熱系統(tǒng)，驅(qū)動電源，使用環(huán)境。第二層因素設(shè)計為：LED 光源u1的因素集為u11，u12，u13=襯底材料，發(fā)光原理，封裝材料；散熱系統(tǒng)u2的因素集為u21，u22=散熱材料，散熱方式；驅(qū)動電源 u3的因素集為u31，u