關(guān)于LED燈具可靠性檢測工作的思考

隨著LED技術(shù)的快速發(fā)展，LED在照明領(lǐng)域的各個方面應(yīng)用也越來越廣泛，并逐漸開始占據(jù)照明市場的主導(dǎo)地位。

　　LED作為新型照明光源，在很多方面具有傳統(tǒng)光源所無法比擬的優(yōu)勢。但是，它在實際應(yīng)用過程中仍存在一些問題而導(dǎo)致它沒有達(dá)到其理論上的使用壽命和光度參數(shù)上的要求。因此，如果不能實現(xiàn)高可靠性、長壽命的LED光源，即使光效再好，高昂的維護(hù)成本必然限制其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。白熾燈的額定壽命一般是1000小時，熒光燈的平均壽命是10000小時，而根據(jù)美國照明研究中心(LRC)Narendran等人對白光LED進(jìn)行的壽命實驗，LED的壽命可以達(dá)到10萬小時。

　　一、LED燈具可靠性檢測的重要性

　　照明LED商業(yè)化到現(xiàn)在還不足15年，技術(shù)仍在不斷發(fā)展和完善。而各生產(chǎn)廠商在外延到芯片到封裝技術(shù)水平上也相差較大，同一廠商生產(chǎn)的不同批次LED質(zhì)量也參差不齊。再加上應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計以及使用方法的差別，照明LED的壽命完全達(dá)不到理論上的10萬小時。因此，提高LED的可靠性是LED研究的重中之重。而對LED可靠性的研究是提高其可靠性和使用壽命的前提和基礎(chǔ)。對LED的可靠性的研究不僅能從根源上對LED的失效機(jī)理進(jìn)行分析，進(jìn)而從設(shè)計、工藝以及使用等方面提出改進(jìn)方案，而且可對LED照明產(chǎn)品的可靠性提供全面的評估，為LED早期失效篩選及產(chǎn)品質(zhì)量管理提供依據(jù)，因此，LED可靠性的研究無論對于LED科研還是LED產(chǎn)業(yè)都具有非常重要的學(xué)術(shù)價值和實用價值。

　　美國能源部(DOE)固態(tài)照明2010年技術(shù)路線也將LED照明產(chǎn)品的可靠性強(qiáng)化試驗和加速壽命試驗的相關(guān)評價與測試技術(shù)作為最近幾年的重要研究方向，并獲得美國研究機(jī)構(gòu)的支持。科銳、飛利浦等照明巨頭也投入巨大人力、物力進(jìn)行LED可靠性方面的研究。我國工信部、科技部、國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(CSA)、廣東省科技廳近年來也投入許多資金加大對LED照明產(chǎn)品可靠性方面的支持和研究。許多高校、研究機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟都提出計劃準(zhǔn)備制定LED可靠性和加速壽命試驗方面的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于缺少可靠的研究成果，目前各類檢測和認(rèn)證在評估LED燈具壽命時都仍然按LED燈具在正常工作狀態(tài)燃點，然后測量光衰的辦法。

二、LED燈具可靠性和壽命檢測的現(xiàn)狀

　　按照國家標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)熒光燈和節(jié)能燈的性能測試方法都要測試2000h光衰和6000h壽命。目前CQC的LED照明產(chǎn)品節(jié)能認(rèn)證是測量3000h、6000h和10000h光衰來評判LED燈具的壽命；而美國的能源之星對LED照明產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證時，光衰減測試的最低要求是6000小時。這些測試方法雖然能檢測出樣品的實際壽命情況，但是測試時間太長，測試費(fèi)用也過高，完全不能滿足市場的需求。因為有別于傳統(tǒng)燈具技術(shù)比較成熟和穩(wěn)定，LED技術(shù)發(fā)展迅速，每隔半年產(chǎn)品用的芯片和產(chǎn)品外形都有很大的變化，等到6000小時的光衰試驗做完，這個產(chǎn)品可能已經(jīng)被市場淘汰，因此我們必須找到更快速和更科學(xué)的LED燈具可靠性檢測方法。

　　如果把LED燈具看作一個系統(tǒng)，根據(jù)可靠性檢測我們可以把它分為三個子系統(tǒng)，分別是光源模塊(模組)子系統(tǒng)，驅(qū)動電源子系統(tǒng)和接口子系統(tǒng)。筆者認(rèn)為，目前某些研究機(jī)構(gòu)提出把整體燈具進(jìn)行壽命加速試驗然后來預(yù)測壽命這個方法不太妥當(dāng)。不同系統(tǒng)的失效原理和加速原理都差異巨大，得出來的數(shù)據(jù)并不可靠。所以，應(yīng)該按照不同子系統(tǒng)來分開對待。LED燈具的驅(qū)動電源子系統(tǒng)無論和傳統(tǒng)燈具的控制裝置比較，還是和目前市場上的其余電子產(chǎn)品的電源比較，技術(shù)難度并不算高，對光源可靠性的影響也沒有傳統(tǒng)燈具控制器那么大，所以按照目前的LED控制裝置的國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格測試就基本可以保證它的可靠性。接口子系統(tǒng)通過振動和接口插拔等試驗也可以保證它的可靠性，關(guān)鍵需要研究的是LED光源模塊子系統(tǒng)。

　　三、LED光源模塊的失效原因

　　LED光源模塊一般由基板、芯片、封裝材料(包括熒光粉)、透鏡組成，某些模塊還包括散熱裝置和導(dǎo)熱硅膠，現(xiàn)在流行的封裝方式有DOB和COB。因為LED光源模塊設(shè)計的多樣性和組成的復(fù)雜性，所以造成失效的原因也非常多，一般包括以下幾點：

　　1.封裝材料退化

　　LED在日常生活使用的過程中，長時間的工作會讓LED的藍(lán)光與GaN系統(tǒng)中的帶間輻射復(fù)合所產(chǎn)生的紫外線的輻射和溫度升高而引致LED的外表封裝材料(如環(huán)氧樹脂)內(nèi)的許多聚合物的光學(xué)透明度的大輻度下降，從而引起了LED的出光效率的下降。

　　對于這個封裝材料的退化會引起LED的出光效率降低的這個問題，D.L.Barton等人曾做過研究試驗。實驗表明當(dāng)LED的環(huán)境溫度為95℃、驅(qū)動電流大于40mA時，LED的pn結(jié)溫度超過145℃，這個溫度是讓封裝材料達(dá)到了變色的臨界狀態(tài)。如果在大電流的條件下，封裝材料甚至?xí)霈F(xiàn)碳化，從而在器件的表面生成一種不透明物質(zhì)或形成導(dǎo)電通道，致使器件失效。

2.污染物焊接