關(guān)于LED燈具可靠性檢測工作的思考

隨著(zhù)LED技術(shù)的快速發(fā)展，LED在照明領(lǐng)域的各個(gè)方面應用也越來(lái)越廣泛，并逐漸開(kāi)始占據照明市場(chǎng)的主導地位。

　　LED作為新型照明光源，在很多方面具有傳統光源所無(wú)法比擬的優(yōu)勢。但是，它在實(shí)際應用過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題而導致它沒(méi)有達到其理論上的使用壽命和光度參數上的要求。因此，如果不能實(shí)現高可靠性、長(cháng)壽命的LED光源，即使光效再好，高昂的維護成本必然限制其在各個(gè)領(lǐng)域的應用。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)，而根據美國照明研究中心(LRC)Narendran等人對白光LED進(jìn)行的壽命實(shí)驗，LED的壽命可以達到10萬(wàn)小時(shí)。

　　一、LED燈具可靠性檢測的重要性

　　照明LED商業(yè)化到現在還不足15年，技術(shù)仍在不斷發(fā)展和完善。而各生產(chǎn)廠(chǎng)商在外延到芯片到封裝技術(shù)水平上也相差較大，同一廠(chǎng)商生產(chǎn)的不同批次LED質(zhì)量也參差不齊。再加上應用產(chǎn)品的設計以及使用方法的差別，照明LED的壽命完全達不到理論上的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。對LED的可靠性的研究不僅能從根源上對LED的失效機理進(jìn)行分析，進(jìn)而從設計、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L(cháng)ED早期失效篩選及產(chǎn)品質(zhì)量管理提供依據，因此，LED可靠性的研究無(wú)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(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

　　美國能源部(DOE)固態(tài)照明2010年技術(shù)路線(xiàn)也將LED照明產(chǎn)品的可靠性強化試驗和加速壽命試驗的相關(guān)評價(jià)與測試技術(shù)作為最近幾年的重要研究方向，并獲得美國研究機構的支持?？其J、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LED照明產(chǎn)品可靠性方面的支持和研究。許多高校、研究機構、標準聯(lián)盟都提出計劃準備制定LED可靠性和加速壽命試驗方面的標準，但是由于缺少可靠的研究成果，目前各類(lèi)檢測和認證在評估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)，然后測量光衰的辦法。

二、LED燈具可靠性和壽命檢測的現狀

　　按照國家標準，傳統熒光燈和節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)品節能認證是測量3000h、6000h和10000h光衰來(lái)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)行認證時(shí)，光衰減測試的最低要求是6000小時(shí)。這些測試方法雖然能檢測出樣品的實(shí)際壽命情況，但是測試時(shí)間太長(cháng)，測試費用也過(guò)高，完全不能滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。因為有別于傳統燈具技術(shù)比較成熟和穩定，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燈具可靠性檢測方法。

　　如果把LED燈具看作一個(gè)系統，根據可靠性檢測我們可以把它分為三個(gè)子系統，分別是光源模塊(模組)子系統，驅動(dòng)電源子系統和接口子系統。筆者認為，目前某些研究機構提出把整體燈具進(jìn)行壽命加速試驗然后來(lái)預測壽命這個(gè)方法不太妥當。不同系統的失效原理和加速原理都差異巨大，得出來(lái)的數據并不可靠。所以，應該按照不同子系統來(lái)分開(kāi)對待。LED燈具的驅動(dòng)電源子系統無(wú)論和傳統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，對光源可靠性的影響也沒(méi)有傳統燈具控制器那么大，所以按照目前的LED控制裝置的國家標準和國際標準嚴格測試就基本可以保證它的可靠性。接口子系統通過(guò)振動(dòng)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。

　　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熱硅膠，現在流行的封裝方式有DOB和COB。因為L(cháng)ED光源模塊設計的多樣性和組成的復雜性，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(cháng)時(shí)間的工作會(huì )讓LED的藍光與GaN系統中的帶間輻射復合所產(chǎn)生的紫外線(xiàn)的輻射和溫度升高而引致LED的外表封裝材料(如環(huán)氧樹(shù)脂)內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(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。實(shí)驗表明當LED的環(huán)境溫度為95℃、驅動(dòng)電流大于40mA時(shí)，LED的pn結溫度超過(guò)145℃，這個(gè)溫度是讓封裝材料達到了變色的臨界狀態(tài)。如果在大電流的條件下，封裝材料甚至會(huì )出現碳化，從而在器件的表面生成一種不透明物質(zhì)或形成導電通道，致使器件失效。

2.污染物焊接