LED照明燈具可靠性分析

LED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、封裝器件、驅(qū)動電源模塊、散熱和燈具的可靠性。以下分別對這些問題進(jìn)行分析：

　　1.LED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LED可靠性有關(guān)的基本內(nèi)容作些介紹，將對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)。

　　可靠性試驗(yàn)內(nèi)容包括可靠性篩選、環(huán)境試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)(長期或短期)。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)長期壽命試驗(yàn)

　　為了確認(rèn)LED燈具壽命是否達(dá)到3.5萬小時(shí)，需要進(jìn)行長期壽命試驗(yàn)，目前的做法基本上形成如下共識：因GaN基的LED器件開始的輸出光功率不穩(wěn)定，所以按美國ASSIST聯(lián)盟規(guī)定，需要電老化1000小時(shí)后，測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，測量計(jì)算出來的壽命是LED平均壽命，即失效前的平均工作時(shí)間。采用此方法將會大大地縮短LED壽命的測試時(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標(biāo)，從根本上要降低外延生長過程中產(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)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)動電源模塊

　　現(xiàn)階段國內(nèi)LED驅(qū)動電源有較多質(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、交流變直流、穩(wěn)壓、穩(wěn)流。

　　驅(qū)動電路：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LED驅(qū)動模塊的功能，電源變換和驅(qū)動電路一定要有，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2~3元，其性價(jià)比還是較高。如何提高驅(qū)動電源模塊質(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。