大功率LED加速壽命試驗(yàn)方法研究進(jìn)展

李文濤 白虹 肖海清 陶自強(qiáng) 王宏偉 付艷玲 于紅梅 魏瑋

(中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院 北京 100123)

1 前言

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)是在半導(dǎo)體PN結(jié)或類似結(jié)構(gòu)中通以正向電流，以高效率發(fā)出可見光或紅外輻射的器件，是一種新型固態(tài)冷光源，具有能效高、壽命長、電壓低、體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于各式各樣的電子組件及產(chǎn)品中，作為公認(rèn)的新型下一代綠色光源，大功率LED已經(jīng)出現(xiàn)在道路照明、室內(nèi)照明、汽車大燈等傳統(tǒng)照明領(lǐng)域［1－3］。雖然LED是公認(rèn)的高可靠性產(chǎn)品，但是關(guān)于大功率LED壽命測試數(shù)據(jù)的報(bào)道仍顯不足［4］。研究人員在LED壽命試驗(yàn)方面做了大量的研究工作，常見的壽命試驗(yàn)方法為普通條件外推法，但是由于LED理論壽命為10萬h，需要長達(dá)11.8年時(shí)間不間斷的進(jìn)行，試驗(yàn)成本高、周期長、產(chǎn)品更新?lián)Q代快，因此通常采用電流、溫度等對(duì)LED芯片、模塊或燈具進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，分析大功率LED的失效模式及失效的物理機(jī)制。通過實(shí)驗(yàn)分析(光、電等參數(shù)表征、纖維形貌表征和化學(xué)成分分析等)結(jié)合理論分析(數(shù)值模擬)的方法對(duì)LED的壽命進(jìn)行有效的分析與預(yù)測［5］。本文主要論述大功率LED的加速壽命試驗(yàn)方法研究進(jìn)展。

2 LED光源的壽命

與傳統(tǒng)光源不同，LED的理論壽命很長，即使光通量衰減到初始值的50%，它依舊能持續(xù)點(diǎn)亮很長時(shí)間。照明設(shè)計(jì)師需要確切了解其能發(fā)出不低于有效光通量、能滿足他們?cè)O(shè)計(jì)的壽命，而不是其“不亮”的壽命，以精確計(jì)算安裝、維護(hù)、更換成本，與傳統(tǒng)光源做比對(duì)?；谝陨显颍捎霉馔烤S持率來計(jì)算LED的有效壽命。我國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 24823－2009普通照明用LED模塊 性能要求》［6］將LED模塊的壽命定義為光通量衰減到初始值的70%時(shí)的累積點(diǎn)燃時(shí)間(L70)。

根據(jù)美國能源部(DOE)關(guān)于固態(tài)照明產(chǎn)品(SSL)“能源之星”的壽命閾值要求［7］，如果6000 h最小光通量維持率為91.8%，則最大聲稱壽命L70=25000 h;如果6000 h最小光通量維持率為94.1%，則最大聲稱壽命L70=35000 h。

3 大功率LED的壽命測試標(biāo)準(zhǔn)

大功率LED的可靠性測試包括環(huán)境試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)。常用的試驗(yàn)方法有美國電子器件工程聯(lián)合委員會(huì)(JESD)、日本電子情報(bào)技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(JEITA)和美國軍方標(biāo)準(zhǔn)(MIL－STD)的標(biāo)準(zhǔn)方法［5］。大功率LED壽命測試是耐久性試驗(yàn)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，現(xiàn)在發(fā)布了對(duì)大功率LED壽命的規(guī)范和壽命測試的一些方法。北美照明協(xié)會(huì)(IESNA)發(fā)布了LED光源流明維持測量方法LM－80標(biāo)準(zhǔn)［8］，該標(biāo)準(zhǔn)中的壽命為實(shí)際測得壽命，不包括通過外推方法進(jìn)行壽命的估計(jì)和推斷。所以，北美照明協(xié)會(huì)又制定了TM－21標(biāo)準(zhǔn)［9］，專門用于對(duì)壽命進(jìn)行外推的情況。目前，行業(yè)內(nèi)還沒形成比較統(tǒng)一的針對(duì)大功率LED可靠性試驗(yàn)規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)，這也導(dǎo)致了不同的企業(yè)各自形成自己的可靠性試驗(yàn)方案。國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 24908－2010普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈性能要求》里關(guān)于平均壽命的測試方法按照國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 24824－2009普通照明用LED模塊測試方法》里的第5.5條款的要求和附錄D方法進(jìn)行［6，10］，其主要方法為在25℃環(huán)境里通過測量產(chǎn)品每300 h的光通量，直至6000 h的光通維持率推算產(chǎn)品壽命值。然而，該試驗(yàn)方法并未給出LED光通量隨時(shí)間變化的函數(shù)匹配曲線公式或算法，所以，仍然無法有效估算LED的壽命。此外，總共6000 h的壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)周期仍然很長。因此，急需較為統(tǒng)一的加速試驗(yàn)規(guī)范，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)對(duì)LED照明產(chǎn)品可靠性和壽命進(jìn)行科學(xué)判定，為檢驗(yàn)把關(guān)提供科學(xué)、快速的評(píng)定方法，也可以幫助企業(yè)盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，提高LED產(chǎn)品的品質(zhì)。

4 大功率LED加速壽命試驗(yàn)方法研究進(jìn)展

隨著LED生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，產(chǎn)品壽命和可靠性得到很大改善。如果仍采用常規(guī)額定應(yīng)力下的壽命試驗(yàn)，很難對(duì)產(chǎn)品的壽命和可靠性做出較為客觀的評(píng)價(jià)，因此，中外很多學(xué)者對(duì)LED的加速壽命試驗(yàn)方法進(jìn)行了有益探索，取得了很多重要進(jìn)展。

在加速壽命試驗(yàn)方法理論研究方面，孫曉君等［2］介紹了一種適用于工業(yè)條件下的、器件篩選和器件質(zhì)量保證等環(huán)節(jié)的、半導(dǎo)體發(fā)光器件的加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以及關(guān)于可靠性預(yù)計(jì)評(píng)估的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理方法。通過該方法，在針對(duì)LED的性能退化現(xiàn)象和運(yùn)行不穩(wěn)定問題進(jìn)行加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，可以在已知目標(biāo)可靠度和置信度的前提下，定量地確定滿足可靠性要求的試驗(yàn)樣本量、加速應(yīng)力水平及試驗(yàn)時(shí)間。賀衛(wèi)利等［11］研究了根據(jù)加速應(yīng)力評(píng)價(jià)LED壽命的測試方法和數(shù)學(xué)模型，在不同的加速試驗(yàn)應(yīng)力條件下測試了大功率LED可靠性，并建立了LED壽命的幾種數(shù)學(xué)模型，最后根據(jù)具體事例，通過選擇加速應(yīng)力和試驗(yàn)方法，給出具體推導(dǎo)LED壽命的數(shù)學(xué)公式。

在加速壽命試驗(yàn)方法研究方面，對(duì)于LED的加速條件主要為溫度應(yīng)力和電流應(yīng)力［12］，分為單一加速應(yīng)力和復(fù)合加速應(yīng)力2種情況。國內(nèi)外已有一些學(xué)者在單一加速應(yīng)力方面進(jìn)行了積極的探索。趙阿玲等［1，13］對(duì)大功率白光 LED以電流為應(yīng)力進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，分析研究光通量、發(fā)光效率、峰值波長、主波長和電壓等參數(shù)隨老化時(shí)間的變化情況，通過對(duì)試驗(yàn)出現(xiàn)的結(jié)果和失效現(xiàn)象進(jìn)行分析比較，得出結(jié)論：LED衰變退化的主要原因是熒光粉的退化、封裝材料的熱退化、散熱問題導(dǎo)致的退化、P型歐姆接觸退化等。陳宇等［4］設(shè)計(jì)了加速條件為－25℃/125℃的高低溫循環(huán)加速老化實(shí)驗(yàn)，分析了光電熱等特性隨老化時(shí)間的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果表明：不同結(jié)構(gòu)材料封裝的LED器件光衰速率不同，藍(lán)光LED器件的主波長變化不明顯，白光LED器件色溫略有變化;器件的結(jié)溫、熱阻隨老化時(shí)間呈升高趨勢;高低溫循環(huán)加速老化的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)評(píng)價(jià)LED的可靠性有重要的參考意義。Jeong等人［14］開發(fā)了一種－20℃ －75℃的溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)方法，可快速暴露用于冰箱顯示的LED的缺陷，可顯著提高生產(chǎn)廠家篩選出有缺陷LED的效率。

也有不少報(bào)道采用復(fù)合加速應(yīng)力的試驗(yàn)方法。Yanagisawa等［15］對(duì)基于InGaN的白光LED進(jìn)行了加速壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為在高溫(40℃)和高濕(90%RH)環(huán)境下，對(duì)LED施加較高的電流應(yīng)力，試驗(yàn)時(shí)間為5700 h，考察了LED的光輸出隨試驗(yàn)時(shí)間延長的變化并分析了退化的原因，推算出在正常工作條件下，該LED燈的半壽命(一半LED燈失效的壽命)為1.5萬h。Yang等人［16］通過同時(shí)施加大電流和高溫兩個(gè)加速因素，研究了大功率LED芯片及封裝的退化機(jī)理，結(jié)果表明，LED芯片的結(jié)溫和老化時(shí)間是導(dǎo)致LED光輸出退化的重要原因。

LED常見的失效機(jī)制有：芯片材料失效、電遷移破壞、芯片擊穿、封裝材料失效、鍵合失效、熒光粉失效和基板失效等。其他失效機(jī)理：由于局部溫度過高導(dǎo)致金線與電極開路;由于各材料之間熱膨脹系數(shù)存在差異，溫度的變化造成的應(yīng)力使得金線斷裂;芯片鍵合老化;倒裝芯片中焊球的脫落等［4］。加速壽命試驗(yàn)的關(guān)鍵在于建立壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，利用外推法求得正常應(yīng)力水平下的壽命特征?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，不同類型、結(jié)構(gòu)的LED有不同的失效機(jī)制，很難用一種數(shù)學(xué)模型解決所有LED的壽命預(yù)測問題。因此，在加速壽命試驗(yàn)過程中須將各種可能的失效都加以考慮，并逐項(xiàng)考察不同失效機(jī)制在相同應(yīng)力下的失效情況，開發(fā)與這些機(jī)制對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

利用加速壽命試驗(yàn)預(yù)測LED的壽命，最關(guān)鍵的問題是要不改變LED的失效機(jī)理。因此，不管用何種加速應(yīng)力，都需要跟正常應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。目前，國內(nèi)外的許多學(xué)者［1－4，11－16］已經(jīng)利用加速壽命試驗(yàn)獲得了很多有用的試驗(yàn)結(jié)果，并提出了預(yù)測LED壽命的數(shù)學(xué)模型，對(duì)LED的可靠性評(píng)定和篩選具有重要的參考意義。但是，現(xiàn)有的這些研究結(jié)果都缺乏正常應(yīng)力下的長壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在今后的研究中，需要進(jìn)一步積累正常應(yīng)力下的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

目前，常用LED光通量的衰減作為LED失效的判據(jù)。已有的研究結(jié)果表明［11－16］，經(jīng)過加速壽命試驗(yàn)之后，LED不僅會(huì)出現(xiàn)光輸出退化現(xiàn)象，其色溫、光譜特征、電學(xué)特性等參數(shù)也發(fā)生了明顯的變化。因此，在光通量的衰減之外，是否可以用其他參數(shù)作為LED失效的判據(jù)，是未來需要研究和解決的問題。此外，也需要研究光通量的衰減與其他參數(shù)之間的相關(guān)性。

值得注意的是，LED照明產(chǎn)品主要由LED驅(qū)動(dòng)電源和LED模塊組成，LED照明產(chǎn)品的壽命由LED模塊和驅(qū)動(dòng)電源之間壽命最短者決定，LED驅(qū)動(dòng)電源的壽命是保證LED照明產(chǎn)品長壽命的重要保障?，F(xiàn)有報(bào)道的研究對(duì)象大多都是LED模塊或LED芯片，因此，今后應(yīng)對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的加速壽命試驗(yàn)方法和失效機(jī)制的研究引起足夠的重視。

5 結(jié)束語

本文簡要介紹了大功率LED壽命的定義、測試技術(shù)及加速壽命試驗(yàn)方法的最新進(jìn)展。國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也設(shè)計(jì)了一系列的加速環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)方法，如：通電的溫濕度試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、大電

流加速試驗(yàn)、溫度和大電流復(fù)合加速試驗(yàn)等等。但是，任何一種試驗(yàn)都不能很好地解釋如下情況：試驗(yàn)條件及結(jié)果與實(shí)際使用產(chǎn)品可靠性之間的聯(lián)系。所以，即便LED通過了試驗(yàn)篩選，仍不能肯定LED是否可以應(yīng)用于實(shí)際的工作環(huán)境。從另一方面看，通過加速壽命試驗(yàn)，能夠在較短時(shí)間內(nèi)預(yù)測出LED產(chǎn)品正常應(yīng)力條件下的壽命特征，試驗(yàn)所提供的直觀試驗(yàn)結(jié)果，可以部分地反映LED在工作環(huán)境中的工作壽命，從而為篩選提供依據(jù)。因此，加速壽命試驗(yàn)是對(duì)大功率LED照明產(chǎn)品長期使用可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)的有效途徑，其存在的一些不足，是未來需要重點(diǎn)解決的課題。

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