LED照明燈具可靠性簡介及其分析

1、LED照明燈具可靠性簡介及其分析LED燈具所涉及技術問題很多、 很復雜，其中主要是系統(tǒng)可靠性問題， 包含LED芯片、封裝器件、驅動電源模塊、散熱和燈具可靠性。以下分別 對這些問題進展分析：燈具可靠性相關內容介紹在分析LED燈具可靠性之前，先對 LED可靠性有關根本內容作些 介紹，將對LED燈具可靠性深入分析有所幫助。(1)本質失效、附屬失效LED器件失效一般分為二種：本質失效和附屬失效。本質失效指是LED芯片引起失效，又分為電漂移和離子熱擴散失效。附屬失效一般由封裝構造材料、工藝引起，即封裝構造和用環(huán)氧、硅膠、導電膠、熒光粉、 焊接、引線、工藝、溫度等因素引起。(2)十度法那么某些電子器件在一

2、定溫度范圍內，溫度每升高10C,其主要技術指標下降一半(或下降1/4)。實踐證明，LED器件熱沉溫度在50c至80c 時，LED壽命值根本符合十度法那么。最近也有媒體報道：LED器件溫度每上升2C,其壽命下降10%當溫度從63c上升至74c時，平均壽命下 降3/4。因為器件封裝工藝不同，完全可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。(3)壽命含義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70%工作時間，同時色度變化保持在內。LED平均壽命意義是LED產品失效前工作時間平均值，用MTT瞇 表示，它是電子器件最常用可靠性參數(shù)?？煽啃栽囼瀮热莅煽啃院Y選、環(huán)境試驗、壽命試驗（長期或短 期）。我們這里所

3、討論只是壽命試驗，其他工程暫不考慮。（4）長期壽命試驗為了確認LED燈具壽命是否到達萬小時，需要進展長期壽命試驗， 目前做法根本上形成如下共識：因GaN LED器件開場輸出光功率不穩(wěn)定， 所以按美國ASSIST聯(lián)盟規(guī)定，需要電老化 1000小時后，測得光功率或光 通量為初始值。之后加額定電流 3000小時，測量光通量（或光功率）衰減 要小于4% 再加電流3000小時，光通量衰減要小于 8% 再通電4000小 時，共1萬小時，測得光通量衰減要小于 14%即光通量到達初始值 86% 以上。此時才可證明確保 LED壽命到達萬小時。（5）加速（短期）壽命試驗電子器件加速壽命試驗可以在加大應力（電功率或

4、溫度）下進展試 驗,這里要討論是采用溫度應力方法， 測量計算出來壽命是LED平均壽命， 即失效前平均工作時間。采用此方法將會大大地縮短LED壽命測試時間，有利于及時改良、提高 LED可靠性。加溫度應力壽命試驗方法在文章2中已詳細論述，主要是引用“亞瑪卡西 （yamakoshi）發(fā)光管光功率緩慢 退化公式，通過退化系數(shù)得到不同加速應力溫度下LED壽命試驗數(shù)據(jù)，再用“阿倫尼斯 （Arrhenius）方程數(shù)值解析法得到正常應力 （室溫）下LED 平均壽命，簡稱“退化系數(shù)解析法，該方法采用三個不同應力溫度即 165C、175c和185c下，測量數(shù)據(jù)計算出室溫下平均壽命一致性。該試驗方法是可靠，目前已在

5、這個研究成果上，起草制定“半導體發(fā)光二極管 壽命試驗方法標準，國內一些企業(yè)也同時研制加速壽命試驗設備儀器。LED器件可靠性LED器件可靠性主要取決于二個局部：外延芯片及器件封裝性能質量，這二種失效機理完全不一樣，現(xiàn)分別表達。(1)外延芯片失效影響外延芯片性能及質量，主要是與外延層特別是P-n結局部位錯和缺陷數(shù)目和分布情況，金屬與半導體接觸層質量，以及外延層及芯片 外表和周邊沾污引起離子數(shù)目及狀況有關。芯片在加熱加電條件下，會逐 步引起位錯、缺陷、外表和周邊產生電漂移及離子熱擴散，使芯片失效， 正是上面所說本質失效。要提高外延芯片可靠性指標，從根本上要降低外 延生長過程中產生位錯和缺陷以及外延層

6、外表和周邊沾污，提高金屬與半 導體接觸質量，從而提高工作壽命時間。目前有報道，對裸芯片作加速壽 命試驗，并進展推算，一般壽命達10萬小時以上，甚至幾十萬小時。(2)器件封裝失效有報道稱：LED器件失效大約70姒上是由封裝引起，所以封裝技 術對LED器件來說是關鍵技術。有關 LED器件封裝技術在文章3、4中 有詳細論述，所以在此不作介紹，只簡要分析有關LED器件封裝可靠性問題。LED封裝引起失效是附屬失效，其原因很復雜，主要來源有三局部：其一，封裝材料不佳引起，如環(huán)氧、硅膠、熒光粉、基座、導電 膠、固晶材料等。其二，封裝構造設計不合理，如材料不匹配、產生應力、引起斷裂、開路等。其三，封裝工藝不適

7、宜，如裝片、壓焊、點膠工藝、固化溫度及 時間等。為提高器件封裝可靠性，首先在原材料選用方面要嚴格控制材料 質量，在封裝構造上除了考慮出光效率和散熱外，還要考慮多種材料結合 在一起時熱漲匹配問題。在封裝工藝上，要嚴格控制每道工序工藝流程， 盡量采用自動化設備、確保工藝一致性及重復性，保障LED器件性能和可靠性指標。LED驅動電源模塊現(xiàn)階段國內LED驅動電源有較多質量問題，據(jù)報道，LED燈具失效，約70姒上是由驅動電源引起，這個問題應引起行內業(yè)者重視。首先 來分析電源模塊功能，一般由四局部組成：電源變換：高壓變低壓、交流變直流、穩(wěn)壓、穩(wěn)流。驅動電路：分立器件或集成電路能輸出較大功率組成電路?？刂齐?/p>

8、路：控制光通量、光色調、定時開關及智能控制等。保護電路：保護電路內容太多，如過壓保護、過熱保護、短路保 護、輸出開路保護、低壓鎖存、抑制電磁干擾、傳導噪聲、防靜電、防雷 擊、防浪涌、防諧波振蕩等。作為LED驅動模塊功能，電源變換和驅動電路一定要有，控制電 路要看實際需求而定，保護電路要根據(jù)實際產品可靠性需要來確定，采取 保護電路，需要增加費用，這與電源本錢是矛盾。有報道稱，如果電源本錢每瓦平均23元，其性價比還是較高。如何提高驅動電源模塊質量，確 保LED燈具可靠性，原那么上應采取以下幾點措施：其一，電源模塊必須選用品質好電子元器件。其二，整體線路設計合理，包含電源變換、驅動電路、控制電路 和

9、保護電路。其三，選用適宜保護電路，既可保護模塊性能質量，又不增加太 多本錢。根據(jù)現(xiàn)有電源驅動模塊質量水平，要確保LED燈具壽命到達萬小時，其難度是很大。散熱問題LED照明燈具可靠性(壽命)很大程度上取決于散熱水平，所以提 高散熱水平是關鍵技術之一。主要是解決芯片產生多余熱量通過熱沉、散 熱體傳出去，這是個很復雜技術問題。下面將分別表達：(1)功率LED定義哪些LED需要考慮散熱問題，功率 LED需要散熱。功率LED是指 工作電流在100mAz上發(fā)光二極管。是我國行標參照美國ASSIST聯(lián)盟定義，按現(xiàn)有二種LED正向電壓典型值及，即輸入功率在 210mw汲330mw以 上LED均為功率LED,都

10、需要考慮器件熱散問題，有些人可能有不同看法， 但實踐證明，要提高功率LED可靠性(壽命)，就要考慮功率LED散熱問題。(2)散熱有關參數(shù)與LED散熱有關主要參數(shù)有熱阻、結溫和溫升等。a.熱阻熱阻是指器件有效溫度與外部規(guī)定參考點溫度之差除以器件中穩(wěn)態(tài)功率耗散所得商。它是表示器件散熱程度最重要參數(shù)。目前散熱較好功 率LED熱阻& 10c /W,國內報道最好熱阻& 5c /W,國外可達熱阻W 3c /W, 如做到這個水平可確保功率 LED壽命。b.結溫結溫是指LED器件中主要發(fā)熱局部半導體結溫度。它是表達LED器件在工作條件下，能否承受溫度值。為此美國SSL方案制定提高耐熱性目標，如表1所不：表1美

11、國SSL方案制定提高耐熱性目標目碌如口 T年加12年2(120輸入功率密度3ag 飛 on-1*500700r*600 1000芯片溫度（令,人If- W!Fr * is丁 rry江近50熒光新溫度（C 1J從表中顯示，芯片及熒光粉耐熱性還是很高，目前已經到達芯片 結溫在150c下，熒光粉在130c下，根本對器件壽命不會有什么影響。 說明芯片熒光粉耐熱性愈高，對散熱要求就愈低。c.溫升溫升有幾種不同溫升， 我們這里所討論是：管殼-環(huán)境溫升。它是 指LED器件管殼（LED燈具可測到最熱點）溫度與環(huán)境（在燈具發(fā)光平面上， 距燈具米處）溫度之差。它是一個可以直接測量到溫度值

12、，并可直接表達 LED器件外圍散熱程度，實踐已證明，在環(huán)境溫度為30c時，如果測得LED 管殼為60 C,其溫升應為30C,此時根本上可確保 LED器件壽命值，如 溫升過高，LED光源維持率將會大幅度下降。d.散熱新問題隨著LED照明產品開展，有二種新技術：其一，為了增大單管光 通量，注入更大電流密度，如下面所提，以致芯片產生更多熱量，需要散 熱。其二，封裝新構造，隨著 LED光源功率增大，需要多個功率 LED芯片 集合封裝在一起，如 COB勾造、模塊化燈具等，會產生更多熱量，需要更 有效散熱構造及措施，這又給散熱提出新課題，否那么會極大地影響LED燈具性能及壽命。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，我認為這是不對，因為LED燈具做得很好，其總能效也只是50%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產生更多集中余熱，需要很好散熱。為提高散熱水平提出 幾點原那么性意見：其一，從LED芯片來說，要采取新構造、新工藝，提高LED芯片結溫耐熱性，以及其他材料耐熱性，使得對散熱條件要求降低。其二，降低LED器件熱阻，采用封裝新構造、新工藝，選用導熱 性、耐熱性較好新材料，包含金屬之間粘合材料、熒光粉混合膠等，使得 熱阻0 10C/W或更低。其三，降低升溫，盡量采用導熱性好散熱材料，在設計上要求有 較好通風孔道，使