LED照明燈具可靠性測(cè)試方法及成本控制

1、LED 照明燈具可靠性測(cè)試方法及成本控制近年來，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)110120lm/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(chǎng)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(duì)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(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行較為詳細(xì)的

2、描述及分析。一、LED 照明燈具可靠性有關(guān)LED 照明燈具的分類、性能指標(biāo)及可靠性等，美國(guó)' 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(guó)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(guó)內(nèi)對(duì)LED 照明燈具的壽命要求一般也提到33.5萬小時(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(zhǎng)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

3、器件、驅(qū)動(dòng)電源模塊、散熱和燈具的可靠性。以下分別對(duì)這些問題進(jìn)行分析：1LED 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(duì)LED 可靠性有關(guān)的基本內(nèi)容作些介紹，將對(duì)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

4、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)?？煽啃栽囼?yàn)內(nèi)容包括可靠性篩選、環(huán)境試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)（長(zhǎng)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(zhǎng)期壽命試驗(yàn)為了確認(rèn)LED 燈具

5、壽命是否達(dá)到3.5萬小時(shí)，需要進(jìn)行長(zhǎng)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(guó)ASSIST 聯(lián)盟規(guī)定，需要電老化1000小時(shí)后，測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量計(jì)算出來

6、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(cè)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(jiǎn)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(cè)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

7、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(guó)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。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

8、標(biāo)，從根本上要降低外延生長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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)

9、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)。3. LED驅(qū)動(dòng)電源模塊現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)LED 驅(qū)動(dòng)電源有較多質(zhì)量問題，據(jù)報(bào)道，LED 燈具失效，約70%以上是由驅(qū)動(dòng)電源引起，這個(gè)問題應(yīng)引起行內(nèi)業(yè)者的重視。首先來分析電源模塊功能，一般由四部分組成：電源變換：高壓變低壓、

10、交流變直流、穩(wěn)壓、穩(wěn)流。驅(qū)動(dòng)電路：分立器件或集成電路能輸出較大功率組成的電路。控制電路：控制光通量、光色調(diào)、定時(shí)開關(guān)及智能控制等。保護(hù)電路：保護(hù)電路內(nèi)容太多，如過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、短路保護(hù)、輸出開路保護(hù)、低壓鎖存、抑制電磁干擾、傳導(dǎo)噪聲、防靜電、防雷擊、防浪涌、防諧波振蕩等。作為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)模塊的功能，電源變換和驅(qū)動(dòng)電路一定要有，控制電路要看實(shí)際需求而定，保護(hù)電路要根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品可靠性的需要來確定，采取保護(hù)電路，需要增加費(fèi)用，這與電源的成本是矛盾的。有報(bào)道稱，如果電源成本每瓦平均23元，其性價(jià)比還是較高。如何提高驅(qū)動(dòng)電源模塊質(zhì)量，確保LED 燈具的可靠性，原則上應(yīng)采取以下幾點(diǎn)措施：其一，電源模塊

11、必須選用品質(zhì)好的電子元器件。其二，整體線路設(shè)計(jì)合理，包含電源變換、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路和保護(hù)電路。其三，選用合適的保護(hù)電路，既可保護(hù)模塊性能質(zhì)量，又不增加太多的成本。根據(jù)現(xiàn)有電源驅(qū)動(dòng)模塊的質(zhì)量水平，要確保LED 燈具 壽命達(dá)到3.5萬小時(shí)，其難度是很大的。4. 散熱問題LED 照明燈具的可靠性（壽命）很大程度上取決于散熱水平，所以提高散熱水平是關(guān)鍵技術(shù)之一。主要是解決芯片產(chǎn)生多余熱量通過熱沉、散熱體傳出去，這是個(gè)很復(fù)雜的技術(shù)問題。下面將分別敘述：（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100mA 以上的發(fā)光二極管。是我國(guó)行標(biāo)參照美國(guó)AS

12、SIST 聯(lián)盟定義的，按現(xiàn)有二種LED 的正向電壓典型值2.1V 及3.3V ，即輸入功率在210mw 及330mw 以上的LED 均為功率LED ，都需要考慮器件熱散問題，有些人可能有不同看法，但實(shí)踐證明，要提高功率LED 的可靠性（壽命），就要考慮功率LED 的散熱問題。（2）散熱有關(guān)參數(shù)與LED 散熱有關(guān)的主要參數(shù)有熱阻、結(jié)溫和溫升等。a 熱阻熱阻是指器件的有效溫度與外部規(guī)定參考點(diǎn)溫度之差除以器件中的穩(wěn)態(tài)功率耗散所得的商。它是表示器件散熱程度的最重要參數(shù)。目前散熱較好的功率LED 熱阻10/W，國(guó)內(nèi)報(bào)道最好的熱阻5/W，國(guó)外可達(dá)熱阻3/W，如做到這個(gè)水平可確保功率LED 的壽命。b 結(jié)溫

13、結(jié)溫是指LED 器件中主要發(fā)熱部分的半導(dǎo)體結(jié)的溫度。它是體現(xiàn)LED 器件在工作條件下，能否承受的溫度值。為此美國(guó)SSL 計(jì)劃制定提高耐熱性目標(biāo)。芯片及熒光粉的耐熱性還是很高的，目前已經(jīng)達(dá)到芯片結(jié)溫在150下，熒光粉在130下，基本對(duì)器件的壽命不會(huì)有什么影響。說明芯片熒光粉耐熱性愈高，對(duì)散熱的要求就愈低。c 溫升溫升有幾種不同的溫升，我們這里所討論的是：管殼環(huán)境溫升。它是指LED 器件管殼（LED 燈具可測(cè)到的最熱點(diǎn)）溫度與環(huán)境（在燈具發(fā)光平面上，距燈具0.5米處）溫度之差。它是一個(gè)可以直接測(cè)量到的溫度值，并可直接體現(xiàn)LED 器件外圍散熱程度，實(shí)踐已證明，在環(huán)境溫度為30時(shí)，如果測(cè)得LED 管殼

14、為60，其溫升應(yīng)為30，此時(shí)基本上可確保LED 器件的壽命值，如溫升過高，LED 光源的維持率將會(huì)大幅度下降。d 散熱新問題隨著LED 照明'LED 照明產(chǎn)品的發(fā)展，有二種新的技術(shù)：其一，為了增大單管的光通量，注入更大的電流密度，如下面所提，以致芯片產(chǎn)生更多的熱量，需要散熱。其二，封裝新結(jié)構(gòu)，隨著LED 光源功率的增大，需要多個(gè)功率LED 芯片集合封裝在一起，如COB 結(jié)構(gòu)、模塊化燈具等，會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，需要更有效的散熱結(jié)構(gòu)及措施，這又給散熱提出新課題，否則會(huì)極大地影響LED 燈具 的性能及壽命。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

15、要' ，我認(rèn)為這是不對(duì)的，因?yàn)長(zhǎng)ED 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(huì)產(chǎn)生更多集中的余熱，需要很好散熱。為提高散熱水平提出幾點(diǎn)原則性意見：其一，從LED 芯片來說，要采取新結(jié)構(gòu)、新工藝，提高LED 芯片結(jié)溫的耐熱性，以及其他材料的耐熱性，使得對(duì)散熱條件要求降低。其二，降低LED 器件的熱阻，采用封裝新結(jié)構(gòu)、新工藝，選用導(dǎo)熱性、耐熱性較好的新材料，包含金屬之間粘合材料、熒光粉的混合膠等，使得熱阻10/W或更低。其三，降低升溫，盡量采用導(dǎo)熱性好的散熱材料，在設(shè)計(jì)上要求有較好的通風(fēng)孔道，使余熱盡快散出去，要求升溫應(yīng)小于30。

16、另外，提高模塊化燈具的散熱水平應(yīng)提到日程上來。其四，散熱的辦法很多，如采用熱導(dǎo)管，當(dāng)然很好，但要考慮成本因素，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮性價(jià)比問題。此外，LED 燈具的設(shè)計(jì)除了要提高燈具效率、配光要求、外形美觀之外，要提高散熱水平，采用導(dǎo)熱好的材料，有報(bào)道稱，散熱體涂上某些納米材料，其導(dǎo)熱性能增加30%。另外，要有較好的機(jī)械性能和密封性，散熱體還要防塵，要求LED 燈具的溫升應(yīng)小30。二、LED 照明燈具的成本問題LED 光源是否能全面進(jìn)入照明領(lǐng)域，其光源的成本是最關(guān)鍵的，從目前看，不同LED 產(chǎn)品，比傳統(tǒng)產(chǎn)品的成本差價(jià)還有510倍，而且由于主要技術(shù)指標(biāo)還要進(jìn)一步提高，不斷提出采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)、

17、新工藝，這無疑給LED 成本帶來新的壓力。根據(jù)美國(guó)SSL 計(jì)劃提出的要求，2015年達(dá)到集成價(jià)格2美元/klm。從目前的成本價(jià)位，要求成本每年平均下降20%，基本上可以達(dá)到上述指標(biāo)，這是非常艱巨的任務(wù)，下面從二個(gè)層面提出幾點(diǎn)降低成本的方法，供大家討論。1. 規(guī)?；a(chǎn)及提高成品率采用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，可大幅度提高生產(chǎn)效率、節(jié)省費(fèi)用、降低成本。另外，采用工藝措施和質(zhì)保體系的管理辦法來提高成品率，同樣是降低成本的好辦法。2. 技術(shù)創(chuàng)新降低成本要降低成本重點(diǎn)要從技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新，采用新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新材料、新工藝，既可提高LED 性能指標(biāo)，又可有效地大幅度降低成本，這是努力的方向，以下介紹幾個(gè)

18、辦法。（1）外延芯片降低成本辦法從現(xiàn)階段來看，LED 芯片的成本占LED 光源的比例是較高的，要重點(diǎn)從外延芯片上下功夫降低成本，介紹四個(gè)具體辦法。其一，增大外延片面積：外延生長(zhǎng)的園片面積，從目前采用2寸及部分4寸已瞄準(zhǔn)目標(biāo)向6寸進(jìn)軍，雖然外延芯片面積增大，在技術(shù)上要克服片子的均勻性、龜裂、變形等出現(xiàn)的新問題，但降低成本非常顯著。另外，生產(chǎn)MOCVD 的廠家目前還正在研發(fā)8寸圓片的設(shè)備。其二，改進(jìn)外延生長(zhǎng)：Veeco 亞洲總裁王克揚(yáng)介紹從MOCVD 的良品、工藝、架構(gòu)著手，具體對(duì)平均無故障間隔時(shí)間（MTBF ），平均清潔間隔時(shí)間（MTBC ）、平均修復(fù)時(shí)間（MTTR ）這三種時(shí)間進(jìn)行改進(jìn)，以及設(shè)

19、備間匹配性和線上工藝控制，可提高產(chǎn)量，使外延片的成本從2009年的1美元/cm2降至2014年的0.2美元/cm2。其三，增加電流密度：國(guó)外幾個(gè)主要公司均在研發(fā)增加LED 正向電流的電流密度，來提高單顆功率LED 發(fā)光的光通量，以達(dá)到同樣照度時(shí)而減少LED 的數(shù)量，當(dāng)然會(huì)犧牲部分光效，如果從目前正向電流350mA 增到2A 時(shí)，光通量可增加45倍，成本將大幅度下降。當(dāng)然還要解決結(jié)溫耐熱性、封裝材料耐熱性及散熱等新問題。其四，降低開啟電壓VF ：目前GaN 開啟電壓VF 的典型值為3.3V ，國(guó)外正在研發(fā)降低VF 值，如果達(dá)2.8V 之內(nèi)，當(dāng)輸入功率降低時(shí)可獲得同樣的光通量（光效），即能效提高，節(jié)約成本。（2）LED 封裝改進(jìn)LED 封裝工藝，采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝，提高LED 封裝成品率，降低LED 封裝成本，是封裝企業(yè)始終努力的目標(biāo)。現(xiàn)另介紹一些降低封裝成本的辦法。其一，封裝