關(guān)于LED燈具可靠性檢測(cè)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(gè)方面應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，并逐漸開始占據(jù)照明市場(chǎng)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。但是，它在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題而導(dǎo)致它沒(méi)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(shí)現(xiàn)高可靠性、長(zhǎng)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(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。白熾燈的額定壽命一般是1000小時(shí)，熒光燈的平均壽命是10000小時(shí)，而根據(jù)美國(guó)照明研究中心(LRC)Narendran等人對(duì)白光LED進(jìn)行的壽命實(shí)驗(yàn)，LED的壽命可以達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)。

　　一、LED燈具可靠性檢測(cè)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(jì)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(wàn)小時(shí)。因此，提高LED的可靠性是LED研究的重中之重。而對(duì)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(duì)LED的可靠性的研究不僅能從根源上對(duì)LED的失效機(jī)理進(jìn)行分析，進(jìn)而從設(shè)計(jì)、工藝以及使用等方面提出改進(jìn)方案，而且可對(duì)LED照明產(chǎn)品的可靠性提供全面的評(píng)估，為L(zhǎng)ED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(wú)論對(duì)于LED科研還是LED產(chǎn)業(yè)都具有非常重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

　　美國(guó)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(yàn)和加速壽命試驗(yàn)的相關(guān)評(píng)價(jià)與測(cè)試技術(shù)作為最近幾年的重要研究方向，并獲得美國(guó)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(guó)工信部、科技部、國(guó)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(lái)也投入許多資金加大對(duì)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(jì)劃準(zhǔn)備制定LED可靠性和加速壽命試驗(yàn)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(cè)和認(rèn)證在評(píng)估LED燈具壽命時(shí)都仍然按LED燈具在正常工作狀態(tài)燃點(diǎn)，然后測(cè)量光衰的辦法。

二、LED燈具可靠性和壽命檢測(cè)的現(xiàn)狀

　　按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)熒光燈和節(jié)能燈的性能測(cè)試方法都要測(cè)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(cè)量3000h、6000h和10000h光衰來(lái)評(píng)判LED燈具的壽命；而美國(guó)的能源之星對(duì)LED照明產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證時(shí)，光衰減測(cè)試的最低要求是6000小時(shí)。這些測(cè)試方法雖然能檢測(cè)出樣品的實(shí)際壽命情況，但是測(cè)試時(shí)間太長(zhǎng)，測(cè)試費(fèi)用也過(guò)高，完全不能滿足市場(chǎng)的需求。因?yàn)橛袆e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(shí)的光衰試驗(yàn)做完，這個(gè)產(chǎn)品可能已經(jīng)被市場(chǎng)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(cè)方法。

　　如果把LED燈具看作一個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)可靠性檢測(cè)我們可以把它分為三個(gè)子系統(tǒng)，分別是光源模塊(模組)子系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)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(yàn)然后來(lái)預(yù)測(cè)壽命這個(gè)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(lái)的數(shù)據(jù)并不可靠。所以，應(yīng)該按照不同子系統(tǒng)來(lái)分開對(duì)待。LED燈具的驅(qū)動(dòng)電源子系統(tǒng)無(wú)論和傳統(tǒng)燈具的控制裝置比較，還是和目前市場(chǎng)上的其余電子產(chǎn)品的電源比較，技術(shù)難度并不算高，對(duì)光源可靠性的影響也沒(méi)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格測(cè)試就基本可以保證它的可靠性。接口子系統(tǒng)通過(guò)振動(dòng)和接口插拔等試驗(yàn)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?yàn)長(zhǎng)ED光源模塊設(shè)計(jì)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(diǎn)：

　　1.封裝材料退化

　　LED在日常生活使用的過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間的工作會(huì)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(duì)于這個(gè)封裝材料的退化會(huì)引起LED的出光效率降低的這個(gè)問(wèn)題，D.L.Barton等人曾做過(guò)研究試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)LED的環(huán)境溫度為95℃、驅(qū)動(dòng)電流大于40mA時(shí)，LED的pn結(jié)溫度超過(guò)145℃，這個(gè)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