- 簡析LED燈具可靠性測試方法及成本控制問題
- 原材料選用方面要嚴格控制材料的質量
- 在封裝結構上考慮出光效率和散熱
- 并考慮多種材料結合在一起時的熱漲匹配問題
近年來,由于LED的技術發(fā)展迅速,主要性能指標有很大提高,目前LED器件的發(fā)光效超過200lm/W,產(chǎn)業(yè)化水平達110~120lm/W,可以作為光源在照明領域推廣應用,目前已進入室外景觀照明、功能性照明、商用照明。
近年來,由于LED的技術發(fā)展迅速,主要性能指標有很大提高,目前LED器件的發(fā)光效超過200lm/W,產(chǎn)業(yè)化水平達110~120lm/W,可以作為光源在照明領域推廣應用,目前已進入室外景觀照明、功能性照明、商用照明等領域。在應用過程中,有幾個主要技術和成本問題,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燈具的價格目前普遍偏高等,這些問題有待進一步解決和提高。業(yè)界同行對LED光源的可靠性和成本問題比較重視,均在努力解決之中。本文也將著重對這兩個問題進行較為詳細的描述及分析。
一、LED燈具可靠性
有關LED燈具的分類、性能指標及可靠性等,美國“能源之星”中已有很具體的規(guī)定[1],可靠性指標中,主要規(guī)定LED照明燈具壽命3.5萬小時,在全壽命期內色度變化在CIE1976(u,v)中0.007以內。美國SSL計劃中規(guī)定白光LED器件壽命在2010-2015年中為5萬小時。國內對LED照明燈具的壽命要求一般也提到3~3.5萬小時。
上述提到LED燈具壽命和色保持度的指標,從目前來看是很高的,實際上很多LED燈具還達不到這個要求,因為LED燈具所涉及的技術問題很多、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、散熱和燈具的可靠性。以下分別對這些問題進行分析:
1、LED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可靠性有關的基本內容作些介紹,將對LED燈具可靠性的深入分析有所幫助。
(1)本質失效、從屬失效
LED器件失效一般分為二種:本質失效和從屬失效。本質失效指的是LED芯片引起的失效,又分為電漂移和離子熱擴散失效。從屬失效一般由封裝結構材料、工藝引起,即封裝結構和用的環(huán)氧、硅膠、導電膠、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,溫度每升高10℃,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50℃至80℃時,LED壽命值基本符合十度法則。最近也有媒體報道:LED器件溫度每上升2℃,其壽命下降10%,當溫度從63℃上升至74℃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%的工作時間,同時色度變化保持在0.007內。
LED平均壽命的意義是LED產(chǎn)品失效前的工作時間的平均值,用MTTF來表示,它是電子器件最常用的可靠性參數(shù)。
可靠性試驗內容包括可靠性篩選、環(huán)境試驗、壽命試驗(長期或短期)。我們這里所討論的只是壽命試驗,其他項目暫不考慮。
(4)長期壽命試驗
為了確認LED燈具壽命是否達到3.5萬小時,需要進行長期壽命試驗,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,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%,即光通量達到初始值的86%以上。此時才可證明確保LED壽命達到3.5萬小時。
(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(電功率或溫度)下進行試驗,這里要討論的是采用溫度應力的辦法,測量計算出來的壽命是LED平均壽命,即失效前的平均工作時間。采用此方法將會大大地縮短LED壽命的測試時間,有利于及時改進、提高LED可靠性。加溫度應力的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)的發(fā)光管光功率緩慢退化公式,通過退化系數(shù)得到不同加速應力溫度下LED的壽命試驗數(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”,該方法采用三個不同應力溫度即165℃、175℃和185℃下,測量的數(shù)據(jù)計算出室溫下平均壽命的一致性。該試驗方法是可靠的,目前已在這個研究成果上,起草制定“半導體發(fā)光二極管壽命的試驗方法”標準,國內一些企業(yè)也同時研制加速壽命試驗的設備儀器。
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2、LED器件可靠性
LED器件可靠性主要取決于二個部分:外延芯片及器件封裝的性能質量,這二種失效機理完全不一樣,現(xiàn)分別敘述。
(1)外延芯片的失效
影響外延芯片性能及質量的,主要是與外延層特別是P-n結部分的位錯和缺陷的數(shù)目和分布情況,金屬與半導體接觸層質量,以及外延層及芯片表面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、表面和周邊產(chǎn)生電漂移及離子熱擴散,使芯片失效,正是上面所說的本質失效。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(chǎn)生的位錯和缺陷以及外延層表面和周邊的沾污,提高金屬與半導體接觸質量,從而提高工作壽命的時間。目前有報道,對裸芯片作加速壽命試驗,并進行推算,一般壽命達10萬小時以上,甚至幾十萬小時。
(2)器件封裝的失效
有報道稱:LED器件失效大約70%以上是由封裝引起,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器件封裝的可靠性問題。LED封裝引起的失效是從屬失效,其原因很復雜,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、導電膠、固晶材料等。
其二,封裝結構設計不合理,如材料不匹配、產(chǎn)生應力、引起斷裂、開路等。
其三,封裝工藝不合適,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的質量,在封裝結構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的熱漲匹配問題。在封裝工藝上,要嚴格控制每道工序的工藝流程,盡量采用自動化設備、確保工藝的一致性及重復性,保障LED器件性能和可靠性指標。