LED照明燈具可靠性測試方法及成本控制
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一、LED照明燈具可靠性
有關(guān)LED照明燈具的分類(lèi)、性能指標及可靠性等，美國“能源之星”中已有很具體的規定[1]，可靠性指標中，主要規定LED照明燈具壽命3.5萬(wàn)小時(shí)，在全壽命期內色度變化在CIE1976（u，v）中0.007以?xún)?。美國SSL計劃中規定白光LED器件壽命在2010-2015年中為5萬(wàn)小時(shí)。國內對LED照明燈具的壽命要求一般也提到3~3.5萬(wàn)小時(shí)。
上述提到LED燈具壽命和色保持度的指標，從目前來(lái)看是很高的，實(shí)際上很多LED燈具還達不到這個(gè)要求，因為L(cháng)ED燈具所涉及的技術(shù)問(wèn)題很多、很復雜，其中主要是系統可靠性問(wèn)題，包含LED芯片、封裝器件、驅動(dòng)電源模塊、散熱和燈具的可靠性。以下分別對這些問(wèn)題進(jìn)行分析：
1．LED燈具可靠性相關(guān)內容介紹
在分析LED燈具可靠性之前，先對LED可靠性有關(guān)的基本內容作些介紹，將對LED燈具可靠性的深入分析有所幫助。
?。?）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(xiàn)、工藝、溫度等因素引起的。
?。?）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(shù)指標下降一半（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(shí)，平均壽命下降3/4。因為器件封裝工藝不同，完全可能出現這種現象。
（3）壽命的含義
LED壽命是指在規定工作條件下，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。
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(lái)表示，它是電子器件最常用的可靠性參數。
可靠性試驗內容包括可靠性篩選、環(huán)境試驗、壽命試驗（長(cháng)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。
?。?）長(cháng)期壽命試驗
為了確認LED燈具壽命是否達到3.5萬(wàn)小時(shí)，需要進(jìn)行長(cháng)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(kāi)始的輸出光功率不穩定，所以按美國ASSIST聯(lián)盟規定，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(wàn)小時(shí)，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(shí)才可證明確保LED壽命達到3.5萬(wàn)小時(shí)。
?。?）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(jìn)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(lái)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(huì )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(guò)退化系數得到不同加速應力溫度下LED的壽命試驗數據，再用“阿倫尼斯”（Arrhenius）方程的數值解析法得到正常應力（室溫）下的LED的平均壽命，簡(jiǎn)稱(chēng)“退化系數解析法”，該方法采用三個(gè)不同應力溫度即165℃、175℃和185℃下，測量的數據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(gè)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(shí)研制加速壽命試驗的設備儀器。
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，這二種失效機理完全不一樣，現分別敘述。
?。?）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結部分的位錯和缺陷的數目和分布情況，金屬與半導體接觸層質(zhì)量，以及外延層及芯片表面和周邊沾污引起離子數目及狀況有關(guān)。芯片在加熱加電條件下，會(huì )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(shuō)的本質(zhì)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(cháng)過(guò)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(zhì)量，從而提高工作壽命的時(shí)間。目前有報道，對裸芯片作加速壽命試驗，并進(jìn)行推算，一般壽命達10萬(wàn)小時(shí)以上，甚至幾十萬(wàn)小時(shí)。
?。?）器件封裝的失效
有報道稱(chēng)：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(lái)說(shuō)是關(guān)鍵技術(shù)。有關(guān)LED器件封裝技術(shù)在文章[3]、[4]中有詳細論述，所以在此不作介紹，只簡(jiǎn)要分析有關(guān)LED器件封裝的可靠性問(wèn)題。LED封裝引起的失效是從屬失效，其原因很復雜，主要來(lái)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(kāi)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格控制材料的質(zhì)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(shí)的熱漲匹配問(wèn)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(dòng)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。
3. LED驅動(dòng)電源模塊
現階段國內LED驅動(dòng)電源有較多質(zhì)量問(wèn)題，據報道，LED燈具失效，約70%以上是由驅動(dòng)電源引起，這個(gè)問(wèn)題應引起行內業(yè)者的重視。首先來(lái)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、穩壓、穩流。
驅動(dòng)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、定時(shí)開(kāi)關(guān)及智能控制等。
保護電路：保護電路內容太多，如過(guò)壓保護、過(guò)熱保護、短路保護、輸出開(kāi)路保護、低壓鎖存、抑制電磁干擾、傳導噪聲、防靜電、防雷擊、防浪涌、防諧波振蕩等。
作為L(cháng)ED驅動(dòng)模塊的功能，電源變換和驅動(dòng)電路一定要有，控制電路要看實(shí)際需求而定，保護電路要根據實(shí)際產(chǎn)品可靠性的需要來(lái)確定，采取保護電路，需要增加費用，這與電源的成本是矛盾的。有報道稱(chēng)，如果電源成本每瓦平均2~3元，其性?xún)r(jià)比還是較高。如何提高驅動(dòng)電源模塊質(zhì)量，確保LED燈具的可靠性，原則上應采取以下幾點(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(xiàn)路設計合理，包含電源變換、驅動(dòng)電路、控制電路和保護電路。
其三，選用合適的保護電路，既可保護模塊性能質(zhì)量，又不增加太多的成本。
根據現有電源驅動(dòng)模塊的質(zhì)量水平，要確保LED燈具壽命達到3.5萬(wàn)小時(shí)，其難度是很大的。
4.散熱問(wèn)題
LED照明燈具的可靠性（壽命）很大程度上取決于散熱水平，所以提高散熱水平是關(guān)鍵技術(shù)之一。主要是解決芯片產(chǎn)生多余熱量通過(guò)熱沉、散熱體傳出去，這是個(gè)很復雜的技術(shù)問(wèn)題。下面將分別敘述：
?。?）功率LED定義
哪些LED需要考慮散熱問(wèn)題，功率LED需要散熱。功率LED是指工作電流在100mA以上的發(fā)光二極管。是我國行標參照美國ASSIST聯(lián)盟定義的，按現有二種LED的正向電壓典型值2.1V及3.3V，即輸入功率在210mw及330mw以上的LED均為功率LED，都需要考慮器件熱散問(wèn)題，有些人可能有不同看法，但實(shí)踐證明，要提高功率LED的可靠性（壽命），就要考慮功率LED的散熱問(wèn)題。
（2）散熱有關(guān)參數
與LED散熱有關(guān)的主要參數有熱阻、結溫和溫升等。
a．熱阻
熱阻是指器件的有效溫度與外部規定參考點(diǎn)溫度之差除以器件中的穩態(tài)功率耗散所得的商。它是表示器件散熱程度的最重要參數。目前散熱較好的功率LED熱阻≤10℃/W，國內報道最好的熱阻≤5℃/W，國外可達熱阻≤3℃/W，如做到這個(gè)水平可確保功率LED的壽命。
b．結溫
結溫是指LED器件中主要發(fā)熱部分的半導體結的溫度。它是體現LED器件在工作條件下，能否承受的溫度值。為此美國SSL計劃制定提高耐熱性目標，如表1所示：
表1 美國SSL計劃制定提高耐熱性目標
從表中顯示，芯片及熒光粉的耐熱性還是很高的，目前已經(jīng)達到芯片結溫在150℃下，熒光粉在130℃下，基本對器件的壽命不會(huì )有什么影響。說(shuō)明芯片熒光粉耐熱性愈高，對散熱的要求就愈低。
c．溫升
溫升有幾種不同的溫升，我們這里所討論的是：管殼－環(huán)境溫升。它是指LED器件管殼（LED燈具可測到的最熱點(diǎn)）溫度與環(huán)境（在燈具發(fā)光平面上，距燈具0.5米處）溫度之差。它是一個(gè)可以直接測量到的溫度值，并可直接體現LED器件外圍散熱程度，實(shí)踐已證明，在環(huán)境溫度為30℃時(shí)，如果測得LED管殼為60℃，其溫升應為30℃，此時(shí)基本上可確保LED器件的壽命值，如溫升過(guò)高，LED光源的維持率將會(huì )大幅度下降。
d．散熱新問(wèn)題
隨著(zhù)LED照明產(chǎn)品的發(fā)展，有二種新的技術(shù)：其一，為了增大單管的光通量，注入更大的電流密度，如下面所提，以致芯片產(chǎn)生更多的熱量，需要散熱。其二，封裝新結構，隨著(zhù)LED光源功率的增大，需要多個(gè)功率LED芯片集合封裝在一起，如COB結構、模塊化燈具等，會(huì )產(chǎn)生更多的熱量，需要更有效的散熱結構及措施，這又給散熱提出新課題，否則會(huì )極大地影響LED燈具的性能及壽命。
綜上所述，一定要提高散熱水平，但近期有人提出“隨著(zhù)LED光效提高，散熱就不重要”，我認為這是不對的，因為L(cháng)ED燈具做得很好，其總能效也只是50%，還有很多電能要變成熱。其次，LED大電流密度和模塊化燈具等都會(huì )產(chǎn)生更多集中的余熱，需要很好散熱。為提高散熱水平提出幾點(diǎn)原則性意見(jiàn)：
其一，從LED芯片來(lái)說(shuō)，要采取新結構、新工藝，提高LED芯片結溫的耐熱性，以及其他材料的耐熱性，使得對散熱條件要求降低。
其二，降低LED器件的熱阻，采用封裝新結構、新工藝，選用導熱性、耐熱性較好的新材料，包含金屬之間粘合材料、熒光粉的混合膠等，使得熱阻≤10℃/W或更低。
其三，降低升溫，盡量采用導熱性好的散熱材料，在設計上要求有較好的通風(fēng)孔道，使余熱盡快散出去，要求升溫應小于30℃。另外，提高模塊化燈具的散熱水平應提到日程上來(lái)。
其四，散熱的辦法很多，如采用熱導管，當然很好，但要考慮成本因素，在設計時(shí)應考慮性?xún)r(jià)比問(wèn)題。
此外，LED燈具的設計除了要提高燈具效率、配光要求、外形美觀(guān)之外，要提高散熱水平，采用導熱好的材料，有報道稱(chēng)，散熱體涂上某些納米材料，其導熱性能增加30%。另外，要有較好的機械性能和密封性，散熱體還要防塵，要求LED燈具的溫升應小30℃。
二、LED照明燈具的成本問(wèn)題
LED光源是否能全面進(jìn)入照明領(lǐng)域，其光源的成本是最關(guān)鍵的，從目前看，不同LED產(chǎn)品，比傳統產(chǎn)品的成本差價(jià)還有5~10倍，而且由于主要技術(shù)指標還要進(jìn)一步提高，不斷提出采用新結構、新材料、新技術(shù)、新工藝，這無(wú)疑給LED成本帶來(lái)新的壓力。根據美國SSL計劃提出的要求，2015年達到集成價(jià)格2美元/klm。從目前的成本價(jià)位，要求成本每年平均下降20%，基本上可以達到上述指標，這是非常艱巨的任務(wù)，下面從二個(gè)層面提出幾點(diǎn)降低成本的方法，供大家討論。
1.規?；a(chǎn)及提高成品率
采用自動(dòng)化設備進(jìn)行大規模生產(chǎn)，可大幅度提高生產(chǎn)效率、節省費用、降低成本。另外，采用工藝措施和質(zhì)保體系的管理辦法來(lái)提高成品率，同樣是降低成本的好辦法。
2.技術(shù)創(chuàng )新降低成本
要降低成本重點(diǎn)要從技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng )新，采用新結構、新技術(shù)、新材料、新工藝，既可提高LED性能指標，又可有效地大幅度降低成本，這是努力的方向，以下介紹幾個(gè)辦法。
?。?）外延芯片降低成本辦法
從現階段來(lái)看，LED芯片的成本占LED光源的比例是較高的，要重點(diǎn)從外延芯片上下功夫降低成本，介紹四個(gè)具體辦法。
其一，增大外延片面積：外延生長(cháng)的園片面積，從目前采用2寸及部分4寸已瞄準目標向6寸進(jìn)軍，雖然外延芯片面積增大，在技術(shù)上要克服片子的均勻性、龜裂、變形等出現的新問(wèn)題，但降低成本非常顯著(zhù)。另外，生產(chǎn)MOCVD的廠(chǎng)家目前還正在研發(fā)8寸圓片的設備。
其二，改進(jìn)外延生長(cháng)：Veeco亞洲總裁王克揚介紹從MOCVD的良品、工藝、架構著(zhù)手，具體對平均無(wú)故障間隔時(shí)間（MTBF），平均清潔間隔時(shí)間（MTBC）、平均修復時(shí)間（MTTR）這三種時(shí)間進(jìn)行改進(jìn)，以及設備間匹配性和線(xiàn)上工藝控制，可提高產(chǎn)量，使外延片的成本從2009年的1美元/cm2降至2014年的0.2美元/cm2。
其三，增加電流密度：國外幾個(gè)主要公司均在研發(fā)增加LED正向電流的電流密度，來(lái)提高單顆功率LED發(fā)光的光通量，以達到同樣照度時(shí)而減少LED的數量，當然會(huì )犧牲部分光效，如果從目前正向電流350mA增到2A時(shí)，光通量可增加4~5倍，成本將大幅度下降。當然還要解決結溫耐熱性、封裝材料耐熱性及散熱等新問(wèn)題。
其四，降低開(kāi)啟電壓VF：目前GaN開(kāi)啟電壓VF的典型值為3.3V，國外正在研發(fā)降低VF值，如果達2.8V之內，當輸入功率降低時(shí)可獲得同樣的光通量（光效），即能效提高，節約成本。
?。?）LED封裝
改進(jìn)LED封裝工藝，采用新結構、新材料、新工藝，提高LED封裝成品率，降低LED封裝成本，是封裝企業(yè)始終努力的目標?，F另介紹一些降低封裝成本的辦法。
其一，封裝材料與芯片分開(kāi)，制作封裝材料透鏡、熒光粉薄膜等，與芯片隔開(kāi)進(jìn)行封裝，此方法工藝簡(jiǎn)單、散熱較好，產(chǎn)品性能的穩定性、均勻性較好，可提高封裝器件的可靠性，而且封裝的成本也較低，是器件封裝的主要方向之一。
其二，采用COB 封裝形式，即LED多芯片集成封裝。有報道稱(chēng)，采用COB封裝，可降低封裝成本30%，但要解決好封裝的出光效率和散熱問(wèn)題。
?。?）LED燈具
LED燈具包含散熱體的成本占LED照明產(chǎn)品的比例也是較高的，為降低燈具成本，可以從二方面考慮。
其一，燈具含散熱體的設計合理，減少材料浪費。選用合適的材料，既有較好的機械性能和散熱性能，又要合理的性?xún)r(jià)比。
其二，模塊化燈具，即將LED芯片、驅動(dòng)電源和散熱體等封裝在一起成模塊單元，進(jìn)行標準化生產(chǎn)。根據不同燈具要求，可采用模塊單元組合裝配。這種模塊化裝配方式可極大地降低制造成本。但要解決好能效和散熱的新問(wèn)題。
要使LED光源全面進(jìn)入照明領(lǐng)域，目前急需解決的是LED照明燈具系統可靠性和降低成本的二大問(wèn)題。通過(guò)上述分析，從LED燈具各組成的環(huán)節部分，即外延芯片、器件封裝、驅動(dòng)電源、散熱、燈具等來(lái)看，必須分別進(jìn)行可靠性設計、試驗，各自達到可靠性指標，才能保障系統可靠性，使LED燈具壽命達3.5萬(wàn)小時(shí)。在降低成本方面，認真做好提高成品率、規?；a(chǎn)的同時(shí)，重點(diǎn)在技術(shù)創(chuàng )新，特別在外延芯片、器件封裝、燈具設計上要不斷改進(jìn)創(chuàng )新，使LED燈具成本能大幅度降低，并于2015年之前，實(shí)現LED照明燈具銷(xiāo)售價(jià)在15元/klm之內。
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