LED照明燈可靠性測試和成本控制

LED照明燈具可靠性測試方法和本錢控制

近年來，由于LED技術(shù)開展迅速，主要性能指標(biāo)有很大提高，目前LED器件發(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(lǐng)域推廣應(yīng)用，目前已進入室外景觀照明、功能性照明、商用照明等領(lǐng)域。在應(yīng)用過程中，有幾個主要技術(shù)和本錢問題，如LED照明燈具能效還不高，LED白光光色在某些照明場合還不適宜，LED燈具可靠性還不高，有些產(chǎn)品壽命很短，另外LED燈具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光源可靠性和本錢問題比擬重視，均在努力解決之中。本文也將著重對這兩個問題進展較為詳細(xì)描述及分析。一、LED照明燈具可靠性有關(guān)LED照明燈具分類、性能指標(biāo)及可靠性等，美國“能源之星〞中已有很具體規(guī)定[1]，可靠性指標(biāo)中，主要規(guī)定LED照明燈具壽命3.5萬小時，在全壽命期內(nèi)色度變化在CIE1976〔u，v〕中0.007以內(nèi)。美國SSL方案中規(guī)定白光LED器件壽命在2021-2021年中為5萬小時。國內(nèi)對LED照明燈具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指標(biāo)，從目前來看是很高，實際上很多LED燈具還達不到這個要求，因為LED燈具所涉及技術(shù)問題很多、很復(fù)雜，其中主要是系統(tǒng)可靠性問題，包含LED芯片、封裝器件、驅(qū)動電源模塊、散熱和燈具可靠性。以下分別對這些問題進展分析：1．LED燈具可靠性相關(guān)內(nèi)容介紹在分析LED燈具可靠性之前，先對LED可靠性有關(guān)根本內(nèi)容作些介紹，將對LED燈具可靠性深入分析有所幫助?！?〕本質(zhì)失效、附屬失效LED器件失效一般分為二種：本質(zhì)失效和附屬失效。本質(zhì)失效指是LED芯片引起失效，又分為電漂移和離子熱擴散失效。附屬失效一般由封裝構(gòu)造材料、工藝引起，即封裝構(gòu)造和用環(huán)氧、硅膠、導(dǎo)電膠、熒光粉、焊接、引線、工藝、溫度等因素引起?！?〕十度法那么某些電子器件在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10℃，其主要技術(shù)指標(biāo)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壽命值根本符合十度法那么。最近也有媒體報道：LED器件溫度每上升2℃，其壽命下降10%，當(dāng)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70%工作時間，同時色度變化保持在0.007內(nèi)。LED平均壽命意義是LED產(chǎn)品失效前工作時間平均值，用MTTF來表示，它是電子器件最常用可靠性參數(shù)?？煽啃栽囼瀮?nèi)容包括可靠性篩選、環(huán)境試驗、壽命試驗〔長期或短期〕。我們這里所討論只是壽命試驗，其他工程暫不考慮?！?〕長期壽命試驗為了確認(rèn)LED燈具壽命是否到達3.5萬小時，需要進展長期壽命試驗，目前做法根本上形成如下共識：因GaN基LED器件開場輸出光功率不穩(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%，即光通量到達初始值86%以上。此時才可證明確保LED壽命到達3.5萬小時?！?〕加速〔短期〕壽命試驗電子器件加速壽命試驗可以在加大應(yīng)力〔電功率或溫度〕下進展試驗，這里要討論是采用溫度應(yīng)力方法，測量計算出來壽命是LED平均壽命，即失效前平均工作時間。采用此方法將會大大地縮短LED壽命測試時間，有利于及時改良、提高LED可靠性。加溫度應(yīng)力壽命試驗方法在文章[2]中已詳細(xì)論述，主要是引用“亞瑪卡西〞〔yamakoshi〕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(yīng)力溫度下LED壽命試驗數(shù)據(jù)，再用“阿倫尼斯〞〔Arrhenius〕方程數(shù)值解析法得到正常應(yīng)力〔室溫〕下LED平均壽命，簡稱“退化系數(shù)解析法〞，該方法采用三個不同應(yīng)力溫度即165℃、175℃和185℃下，測量數(shù)據(jù)計算出室溫下平均壽命一致性。該試驗方法是可靠，目前已在這個研究成果上，起草制定“半導(dǎo)體發(fā)光二極管壽命試驗方法〞標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)一些企業(yè)也同時研制加速壽命試驗設(shè)備儀器。

2.LED器件可靠性LED器件可靠性主要取決于二個局部：外延芯片及器件封裝性能質(zhì)量，這二種失效機理完全不一樣，現(xiàn)分別表達?！?〕外延芯片失效影響外延芯片性能及質(zhì)量，主要是與外延層特別是P-n結(jié)局部位錯和缺陷數(shù)目和分布情況，金屬與半導(dǎo)體接觸層質(zhì)量，以及外延層及芯片外表和周邊沾污引起離子數(shù)目及狀況有關(guān)。芯片在加熱加電條件下，會逐步引起位錯、缺陷、外表和周邊產(chǎn)生電漂移及離子熱擴散，使芯片失效，正是上面所說本質(zhì)失效。要提高外延芯片可靠性指標(biāo)，從根本上要降低外延生長過程中產(chǎn)生位錯和缺陷以及外延層外表和周邊沾污，提高金屬與半導(dǎo)體接觸質(zhì)量，從而提高工作壽命時間。目前有報道，對裸芯片作加速壽命試驗，并進展推算，一般壽命達10萬小時以上，甚至幾十萬小時?！?〕器件封裝失效有報道稱：LED器件失效大約70%以上是由封裝引起，所以封裝技術(shù)對LED器件來說是關(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(xì)論述，所以在此不作介紹，只簡要分析有關(guān)LED器件封裝可靠性問題。LED封裝引起失效是附屬失效，其原因很復(fù)雜，主要來源有三局部：其一，封裝材料不佳引起，如環(huán)氧、硅膠、熒光粉、基座、導(dǎo)電膠、固晶材料等。其二，封裝構(gòu)造設(shè)計不合理，如材料不匹配、產(chǎn)生應(yīng)力、引起斷裂、開路等。其三，封裝工藝不適宜，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(yán)格控制材料質(zhì)量，在封裝構(gòu)造上除了考慮出光效率和散熱外，還要考慮多種材料結(jié)合在一起時熱漲匹配問題。在封裝工藝上，要嚴(yán)格控制每道工序工藝流程，盡量采用自動化設(shè)備、確保工藝一致性及重復(fù)性，保障LED器件性能和可靠性指標(biāo)。

3.LED驅(qū)動電源模塊現(xiàn)階段國內(nèi)LED驅(qū)動電源有較多質(zhì)量問題，據(jù)報道，LED燈具失效，約70%以上是由驅(qū)動電源引起，這個問題應(yīng)引起行內(nèi)業(yè)者重視。首先來分析電源模塊功能，一般由四局部組成：電源變換：高壓變低壓、交流變直流、穩(wěn)壓、穩(wěn)流。驅(qū)動電路：分立器件或集成電路能輸出較大功率組成電路。控制電路：控制光通量、光色調(diào)、定時開關(guān)及智能控制等。保護電路：保護電路內(nèi)容太多，如過壓保護、過熱保護、短路保護、輸出開路保護、低壓鎖存、抑制電磁干擾、傳導(dǎo)噪聲、防靜電、防雷擊、防浪涌、防諧波振蕩等。作為LED驅(qū)動模塊功能，電源變換和驅(qū)動電路一定要有，控制電路要看實際需求而定，保護電路要根據(jù)實際產(chǎn)品可靠性需要來確定，采取保護電路，需要增加費用，這與電源本錢是矛盾。有報道稱，如果電源本錢每瓦平均2~3元，其性價比還是較高。如何提高驅(qū)動電源模塊質(zhì)量，確保LED燈具可靠性，原那么上應(yīng)采取以下幾點措施：其一，電源模塊必須選用品質(zhì)好電子元器件。其二，整體線路設(shè)計合理，包含電源變換、驅(qū)動電路、控制電路和保護電路。其三，選用適宜保護電路，既可保護模塊性能質(zhì)量，又不增加太多本錢。根據(jù)現(xiàn)有電源驅(qū)動模塊質(zhì)量水平，要確保LED燈具壽命到達3.5萬小時，其難度是很大。LED照明燈具可靠性〔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)生多余熱量通過熱沉、散熱體傳出去，這是個很復(fù)雜技術(shù)問題。下面將分別表達：〔1〕功率LED定義哪些LED需要考慮散熱問題，功率LED需要散熱。功率LED是指工作電流在100mA以上發(fā)光二極管。是我國行標(biāo)參照美國ASSIST聯(lián)盟定義，按現(xiàn)有二種LED正向電壓典型值2.1V及3.3V，即輸入功率在210mw及330mw以上LED均為功率LED，都需要考慮器件熱散問題，有些人可能有不同看法，但實踐證明，要提高功率LED可靠性〔壽命〕，就要考慮功率LED散熱問題。

〔2〕散熱有關(guān)參數(shù)與LED散熱有關(guān)主要參數(shù)有熱阻、結(jié)溫和溫升等。a．熱阻熱阻是指器件有效溫度與外部規(guī)定參考點溫度之差除以器件中穩(wěn)態(tài)功率耗散所得商。它是表示器件散熱程度最重要參數(shù)。目前散熱較好功率LED熱阻≤10℃/W，國內(nèi)報道最好熱阻≤5℃/W，國外可達熱阻≤3℃/W，如做到這個水平可確保功率LED壽命。b．結(jié)溫結(jié)溫是指LED器件中主要發(fā)熱局部半導(dǎo)體結(jié)溫度。它是表達LED器件在工作條件下，能否承受溫度值。為此美國SSL方案制定提高耐熱性目標(biāo)，如表1所示：表1

美國SSL方案制定提高耐熱性目標(biāo)

從表中顯示，芯片及熒光粉耐熱性還是很高，目前已經(jīng)到達芯片結(jié)溫在150℃下，熒光粉在130c．溫升溫升有幾種不同溫升，我們這里所討論是：管殼－環(huán)境溫升。它是指LED器件管殼〔LED燈具可測到最熱點〕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。它是一個可以直接測量到溫度值，并可直接表達LED器件外圍散熱程度，實踐已證明，在環(huán)境溫度為30℃時，如果測得LED管殼為60℃，其溫升應(yīng)為30℃，此時根本上可確保LED器件壽命值，如溫升過高，LED光源維持率將會大幅度下降。

d．散熱新問題隨著LED照明產(chǎn)品開展，有二種新技術(shù)：其一，為了增大單管光通量，注入更大電流密度，如下面所提，以致芯片產(chǎn)生更多熱量，需要散熱。其二，封裝新構(gòu)造，隨著LED光源功率增大，需要多個功率LED芯片集合封裝在一起，如COB構(gòu)造、模塊化燈具等，會產(chǎn)生更多熱量，需要更有效散熱構(gòu)造及措施，這又給散熱提出新課題，否那么會極大地影響LED燈具性能及壽命。綜上所述，一定要提高散熱水平，但近期有人提出“隨著LED光效提高，散熱就不重要〞，我認(rèn)為這是不對，因為LED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產(chǎn)生更多集中余熱，需要很好散熱。為提高散熱水平提出幾點原那么性意見：其一，從LED芯片來說，要采取新構(gòu)造、新工藝，提高LED芯片結(jié)溫耐熱性，以及其他材料耐熱性，使得對散熱條件要求降低。其二，降低LED器件熱阻，采用封裝新構(gòu)造、新工藝，選用導(dǎo)熱性、耐熱性較好新材料，包含金屬之間粘合材料、熒光粉混合膠等，使得熱阻≤10℃/W或更低。其三，降低升溫，盡量采用導(dǎo)熱性好散熱材料，在設(shè)計上要求有較好通風(fēng)孔道，使余熱盡快散出去，要求升溫應(yīng)小于30℃。另外，提高模塊化燈具散熱水平應(yīng)提到日程上來。其四，散熱方法很多，如采用熱導(dǎo)管，當(dāng)然很好，但要考慮本錢因素，在設(shè)計時應(yīng)考慮性價比問題。此外，LED燈具設(shè)計除了要提高燈具效率、配光要求、外形美觀之外，要提高散熱水平，采用導(dǎo)熱好材料，有報道稱，散熱體涂上某些納米材料，其導(dǎo)熱性能增加30%。另外，要有較好機械性能和密封性，散熱體還要防塵，要求LED燈具溫升應(yīng)小30℃。二、LED照明燈具本錢問題LED光源是否能全面進入照明領(lǐng)域，其光源本錢是最關(guān)鍵，從目前看，不同LED產(chǎn)品，比傳統(tǒng)產(chǎn)品本錢差價還有5~10倍，而且由于主要技術(shù)指標(biāo)還要進一步提高，不斷提出采用新構(gòu)造、新材料、新技術(shù)、新工藝，這無疑給LED本錢帶來新壓力。根據(jù)美國SSL方案提出要求，2021年到達集成價格2美元/klm。從目前本錢價位，要求本錢每年平均下降20%，根本上可以到達上述指標(biāo)，這是非常艱巨任務(wù)，下面從二個層面提出幾點降低本錢方法，供大家討論。采用自動化設(shè)備進展大規(guī)模生產(chǎn)，可大幅度提高生產(chǎn)效率、節(jié)省費用、降低本錢。另外，采用工藝措施和質(zhì)保體系管理方法來提高成品率，同樣是降低本錢好方法。

要降低本錢重點要從技術(shù)上進展創(chuàng)新，采用新構(gòu)造、新技術(shù)、新材料、新工藝，既可提高LED性能指標(biāo)，又可有效地大幅度降低本錢，這是努力方向，以下介紹幾個方法。〔1〕外延芯片降低本錢方法從現(xiàn)階段來看，LED芯片本錢占LED光源比例是較高，要重點從外延芯片上下功夫降低本錢，介紹四個具體方法。其一，增大外延片面積：外延生長園片面積，從目前采用2寸及局部4寸已瞄準(zhǔn)目標(biāo)向6寸進軍，雖然外延芯片面積增大，在技術(shù)上要克制片子均勻性、龜裂、變形等出現(xiàn)新問題，但降低本錢非常顯著。另外，生產(chǎn)MOCVD廠家目前還正在研發(fā)8寸圓片設(shè)備。其二，改良外延生長：Veeco亞洲總裁王克揚介紹從MOCVD良品、工藝、架構(gòu)著手，具體對平均無故障間隔時間〔MTBF〕，平均清潔間隔時間〔MTBC〕、平均修復(fù)時間〔MTTR〕這三種時間進展改良，以及設(shè)備間匹配性和線上工藝控制，可提高產(chǎn)量，使外延片本錢從2021年1美元/cm2降至2021年0.2美元/cm2。其三，增加電流密度：國外幾個主要公司均在研發(fā)增加LED正向電流電流密度，來提高單顆功率LED發(fā)光光通量，以到達同樣照度時而減少LED數(shù)量，當(dāng)然會犧牲局部光效，如果從目前正向電流350mA增到2A時，光通量可增加4~5倍，本錢將大幅度下降。當(dāng)然還要解決結(jié)溫耐熱性、封裝材料耐熱性及散熱等新問題。其四，降低開啟電壓VF：目前GaN開啟電壓VF典型值為3.3V，國外正在研發(fā)降低VF值，如果達2.8V之內(nèi)，當(dāng)輸入功率降低時可獲得同樣光通量〔光效〕，即能效提高，節(jié)約本錢?！?〕LED封裝改良LED封裝工藝，采用新構(gòu)造、新材料、新工藝，提高LED封裝成品率，降低LED封裝本錢，是封裝企業(yè)始終努力目標(biāo)?，F(xiàn)另介紹一些降低封裝本錢方法。其一，封裝材料與