影響LED燈具壽命主要因素的分析

黃林木*

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，福建 龍巖 364021)

影響LED燈具壽命主要因素的分析

黃林木*

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，福建 龍巖 364021)

LED燈具的使用壽命受到多方面因素的制約，如管芯制造中存在的雜質(zhì)離子、晶格缺陷、后封裝工藝中的化學(xué)污染，管芯和燈具的整體散熱設(shè)計，與燈具配套的驅(qū)動電源，無處不在的ESD損傷等。

LED燈具;壽命;制約因素

隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的增強，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的高能耗和廢棄物污染等問題已引起普遍關(guān)注，新的節(jié)能環(huán)保型光源成為研發(fā)熱點。LED光源由于具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時間短、對環(huán)境無污染、多色發(fā)光等的優(yōu)點，受到大眾的青睞，有“綠色照明光源”的美稱。雖然LED燈具價格比現(xiàn)有照明器材昂貴，但用它替代現(xiàn)有照明器件是必然趨勢。在理想條件下，水準(zhǔn)較高的 LED管芯的壽命可達(dá)到(5～10)×104h［1］。LED 燈具是由若干構(gòu)件有機組合成的整體，其壽命受到很多因素影響，本文將從4個方面進(jìn)行分析。

1 LED制造過程中的影響

LED的核心發(fā)光部分是管芯，它是由P型和N型半導(dǎo)體構(gòu)成的PN結(jié)，當(dāng)注入PN結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時，就會激射出大量光子，其頻率在可見光、紫外光或近紅外光范圍。發(fā)光二極管的退化主要是由緩慢退化，包括管芯退化以及環(huán)氧樹脂的退化，而管芯的退化主要是由有源區(qū)內(nèi)缺陷和位錯的繁殖增生，以及有源區(qū)外面缺陷和位錯的移動造成。發(fā)光二極管的老化主要是發(fā)光區(qū)中缺陷的產(chǎn)生與位錯的運動造成的，而對于AlGaInP系列的發(fā)光二極管，通過對外延工藝不同的晶片材料進(jìn)行老化試驗可知，GaP與AlInP異質(zhì)結(jié)界面的缺陷與位錯的運動，以及窗口層中的缺陷和位錯的運動，對二極管的壽命會產(chǎn)生一定的影響。

首先，通過LED封裝廠的測試發(fā)現(xiàn)，LED正常功能很容易受一些已知化學(xué)品的影響，市場上現(xiàn)有的灌封膠或多或少都會含有一些對LED封裝本體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，或者含有對封裝密封性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的化學(xué)物質(zhì)。經(jīng)EDS元素分析發(fā)現(xiàn)，銀層變黑的部分出現(xiàn)了硫(S)元素，而銀層正常部分則沒有S元素，因此，此類銀變色屬于硫化。設(shè)計人員應(yīng)最大限度地減少化學(xué)物質(zhì)之間的影響，如LED的一次光學(xué)透鏡灌封膠，還有在電子組裝和燈具中用到的各種化學(xué)品。

其次，在燈具制造過程中，不兼容的揮發(fā)性有機物(有色和無色氣體)的污染會損害LED的光輸出效率，甚至?xí)筁ED發(fā)生永久性失效現(xiàn)象，如死燈、閃爍、變色、暗光等。這種化學(xué)不兼容性對藍(lán)光、深藍(lán)光和白光LED的影響最為明顯。

另外，在燈具組裝制程中，或在制作工藝中使用化學(xué)添加物時，應(yīng)避免化學(xué)物質(zhì)不兼容問題。LED照明燈具中不兼容的揮發(fā)性有機化合物，可以很快損害任何LED。在幾乎沒有空氣流動的密封燈具中，當(dāng)溫度升高時，局部會發(fā)生這種化學(xué)物質(zhì)不兼容的現(xiàn)象。

管芯制造過程中的離子污染、晶格缺陷和位錯是影響LED燈具的光學(xué)品質(zhì)和壽命的首要因素，LED在后封裝工藝過程中也存在化學(xué)污染。

2 管芯的散熱

由于Ⅲ族氧化物的P型摻雜受限于Mg受主的溶解度和空穴的較高啟動能，熱量特別容易在P型區(qū)域中產(chǎn)生，這部分熱量必須通過整個結(jié)構(gòu)才能在熱沉上散熱;LED器件的散熱途徑主要是熱傳導(dǎo)和熱對流，蕭伯基襯底材料極低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致器件熱阻增加，產(chǎn)生嚴(yán)重的自加熱效應(yīng)，對器件的性能，尤其是可靠性產(chǎn)生毀滅性的影響。

熱量集中在尺寸很小的晶片內(nèi)，晶片溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布，晶片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。當(dāng)溫度超過一定值時，器件失效率呈指數(shù)規(guī)律增加，統(tǒng)計資料表明，元件溫度每上升2℃，可靠性下降10%。當(dāng)多個LED密集排列成白光照明系統(tǒng)時，熱量的耗散問題更嚴(yán)重。

提高大功率LED的亮度，最直接的方法是增大輸入功率，而為了防止有源層的飽和必須相應(yīng)地增大PN結(jié)的尺寸;增大輸入必然使結(jié)溫升高，進(jìn)而使量子效率降低。單管功率的提高取決于器件將熱量從PN結(jié)導(dǎo)出的能力。在保持現(xiàn)有晶片材料、結(jié)構(gòu)、封裝工藝流程、晶片上電流密度不變及散熱條件相同的情況下，單獨增加晶片的尺寸，結(jié)區(qū)溫度將不斷上升。

當(dāng)正向電流流經(jīng)PN結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發(fā)光強度會相應(yīng)地減少1%左右。同時，LED的發(fā)光波長隨溫度變化為0.2～0.3 nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。封裝時散熱非常重要，過去多采用減少其驅(qū)動電流的辦法，降低結(jié)溫以保持色純度與發(fā)光強度，多數(shù)LED的驅(qū)動電流限制在20 mA左右?，F(xiàn)在很多功率型LED的驅(qū)動電流可以達(dá)到70 mA、100 mA甚至1 A級，需要秉持全新的LED封裝設(shè)計理念，改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，采用低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)(如圖1所示)，以改善熱特性［2］。

圖1 LED到散熱器各個熱阻的示意圖

如圖2所示，LED的光衰是和它的結(jié)溫有關(guān)，所謂結(jié)溫就是半導(dǎo)體PN結(jié)的溫度，結(jié)溫越高越早出現(xiàn)光衰，即壽命越短。假如結(jié)溫為105℃，亮度降至70%的時間為1×104h，95℃時有2×104h壽命，而結(jié)溫降低到75℃，壽命就有5×104h，65℃時更可延長至9×104h。所以延長壽命的關(guān)鍵是降低結(jié)溫。

圖2 Cree公司的LED的光衰曲線

3 驅(qū)動IC與驅(qū)動電路

LED的使用壽命達(dá)(5～10)×104h，即使按5×104h計算，也可以連續(xù)點亮6 y。而LED驅(qū)動電源的質(zhì)保期一般僅有2～3 y，達(dá)到6 y質(zhì)保期的驅(qū)動電源價格是普通電源的5倍左右，出于成本的考慮，燈具廠家一般會選用普通電源。由于水桶效應(yīng)，LED燈具的壽命主要由驅(qū)動電路的壽命決定。

LED驅(qū)動包括數(shù)字電路驅(qū)動和類比電路驅(qū)動2類。數(shù)字電路驅(qū)動包括數(shù)字調(diào)光控制、RGB全彩變換等，類比電路驅(qū)動包括AC恒流開關(guān)電源、DC恒流控制電路等。驅(qū)動電路是由半導(dǎo)體元件、電阻、電容、電感等組成的，而這些元器件都有一定的使用壽命，任何一個元器件的失效都會導(dǎo)致整個電路的失效或者部分功能的喪失。

LED照明系統(tǒng)的電源使用恒流供電，目前主流的恒流驅(qū)動設(shè)計方案是利用線性或開關(guān)型DC/DC穩(wěn)壓器結(jié)合特定的反饋電路為LED提供恒流供電，根據(jù)DC/DC穩(wěn)壓器外圍電路設(shè)計的差異，又可以分為電感型LED驅(qū)動器和開關(guān)電容型LED驅(qū)動器。電感型升壓驅(qū)動器方案其優(yōu)點是驅(qū)動電流較高、LED的端電壓較低、功耗較低、效率能夠保持穩(wěn)定，特別適用于驅(qū)動多只LED的應(yīng)用。開關(guān)電容型LED驅(qū)動方案的優(yōu)點是LED兩端的電壓較高、流過的電流較大，從而可獲得較高的發(fā)光效率，主要用在大功率LED驅(qū)動器設(shè)計中，先進(jìn)的開關(guān)電容技術(shù)還能夠提高效率，因而在大功率LED驅(qū)動中應(yīng)用廣泛。

在設(shè)計LED恒流驅(qū)動電路時首先要了解LED的恒流參數(shù)。目前LED芯片的制造商很多，國內(nèi)外LED的差異主要在于相同電參數(shù)的情況下，流明數(shù)可能不同，因此設(shè)計中要清楚地認(rèn)識到LED功率并不決定發(fā)光效率的唯一參數(shù)。此外，LED照明系統(tǒng)的光學(xué)效率不僅取決于LED恒流驅(qū)動方案，還與整個系統(tǒng)的散熱設(shè)計密切相關(guān)［3］。

某些LED恒流驅(qū)動系統(tǒng)為縮小體積，將LED驅(qū)動電路與散熱部分貼近設(shè)計，這樣容易影響可靠性。一般來說，LED照明系統(tǒng)的熱源基本就是LED燈本身的熱源，熱源太集中會產(chǎn)生熱損耗，因此LED驅(qū)動電路不能與散熱系統(tǒng)緊貼在一起。

照明用LED光源的VF電壓都很低，一般VF在2.75～3.8 V，15～1 400 mA。LED燈具使用的LED光源有2種，即IF在15～20 mA的小功率LED和IF在200 mA以上的大功率LED。高功率LED光源是低電壓、大電流驅(qū)動器件，其發(fā)光強度由流經(jīng)LED的電流大小決定。電流過大會引起LED的光衰，電流過小會影響其發(fā)光強度，因此，需要提供恒流電源來驅(qū)動LED，以保證大功率LED的使用安全性，并達(dá)到理想的發(fā)光強度。為確保LED的高能效和長壽命，選擇合適的LED驅(qū)動IC至關(guān)重要［4］。

如果驅(qū)動電源的輸出不穩(wěn)定，或者是沒有突波保護(hù)，就會在外網(wǎng)電壓波動時輸出不穩(wěn)定的電壓和電流，從而導(dǎo)致LED燈具因工作在非標(biāo)準(zhǔn)電壓下而影響其使用壽命。

4 靜電損害

在任何時間、任何地點都可能產(chǎn)生靜電，要完全消除靜電幾乎不可能的。靜電放電(ESD:Electro Static Discharge)引起發(fā)光二極管PN結(jié)的擊穿，是LED器件封裝和應(yīng)用組裝工藝中靜電危害的主要方式。靜電損傷具有以下特點:1)隱蔽性，人不能直接感知靜電，即使發(fā)生靜電放電，人體也不一定有電擊的感覺，這是因為人體感知的靜電放電電壓為2～3 kV，通過測試或?qū)嶋H應(yīng)用，就會發(fā)現(xiàn)LED器件這時可能已受靜電損傷。2)潛伏性，靜電放電可能造成LED突發(fā)性失效或潛在性失效。突發(fā)性失效造成LED的永久性失效-短路，潛在性失效則可造成LED的性能參數(shù)劣化。3)隨機性，從LED芯片生產(chǎn)到LED器件組裝的全過程，都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生具有隨機性。4)復(fù)雜性，由于靜電放電的能量較小，不易被發(fā)現(xiàn)和控制。

ESD損傷的電子產(chǎn)品失效分析工作，因LED的微小、精細(xì)的結(jié)構(gòu)特點而費時、費力、費錢，往往要求采用較高的技術(shù)甚至需要使用掃描電鏡等高精密儀器。即便如此，有些靜電損傷現(xiàn)象也難以與其他原因造成的損傷加以區(qū)別，使人誤把靜電損傷失效當(dāng)作其他原因造成的失效。由于LED是靜電敏感元件，因此靜電嚴(yán)重威脅LED的壽命。

5 結(jié)語

LED燈具的實際壽命受到多種因素的制約:1)在LED的制造過程中，其他雜質(zhì)離子的污染、晶格缺陷、后封裝工藝過程中的化學(xué)污染等是影響LED壽命的首要因素;2)LED管芯和燈具的整體散熱設(shè)計對LED燈具壽命有關(guān)鍵性的影響;3)LED燈具所用驅(qū)動電路的工作質(zhì)量直接影響其壽命;4)貫穿于生產(chǎn)制造和安裝使用全過程的靜電損害嚴(yán)重影響LED燈具的壽命。

［1］施克孝.大功率LED燈具的壽命:LED知識(四)［J］.演藝科技，2011(8):13-15.

［2］李海波.大功率LED燈具的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2012.

［3］何況.LED壽命預(yù)測技術(shù)［D］.杭州:杭州電子科技大學(xué)，2011.

［4］陳曉鋒.大功率LED驅(qū)動器的研究與設(shè)計［D］.南京:南京理工大學(xué)，2013.

［5］顏錦，農(nóng)高海.人體及其防護(hù)措施的探討［J］.百色學(xué)院學(xué)報，2007(6):60-62.

The Main Factors Restricting LED Lamp Life

HUANG Linmu*

(Electrical Engineering Department，Minxi Vocational and Technical College，Longyan 364021，China)

The LED lamp life is restricted by many factors，such as pipe impurity ions，lattice defects，after the encapsulation process of chemical pollution of the core manufacturing，the overall thermal design of die and the lamp，power supply and lighting facilities，the ubiquitous ESD damage.

LED lamp;life;restricting factor

TM923.34

A

2095-5383(2014)02-0055-03

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.018

2013-11-20

黃林木(1966-)，男(漢族)，福建人，講師，研究方向:發(fā)光半導(dǎo)體，通信作者郵箱:hlm0597@qq.com。