LED加速老化測試進展及失效分析

楊藝偉 莊益孌 徐洪海 裘科名

摘 要：LED燈具作為新一代光源被廣泛應(yīng)用，但由于其實際壽命遠低于理論壽命而被詬病。文章介紹了恒定應(yīng)力及階梯應(yīng)力加速老化測試下的LED壽命研究進展，及對LED燈具的失效分析。

關(guān)鍵詞：LED壽命；應(yīng)力測試；失效分析

中圖分類號：TM923.34 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0069-02

Abstract： As a new generation of light sources， LED lamps are widely used， but their actual life span is far shorter than their theoretical life span. This paper introduces the research progress of life span of LED under a constant stress and step stress accelerated aging test， and makes the failure analysis of LED lamps.

Keywords： life span of LED； stress test； failure analysis

引言

2017年，全球LED行業(yè)市場規(guī)模約為6481億美元，預(yù)計2020年中國LED照明的滲透率達到60%-70%，將逐步成為新一代的照明光源。對使用者來說，LED燈具壽命是所有參數(shù)中最重要的一個，理論上，LED燈具的壽命能達到10萬小時，但其電光轉(zhuǎn)換效率僅有10%到15%，其余部分則全部變?yōu)闊崃颗欧牛绊懫浒l(fā)光性能及縮短了實際壽命。業(yè)界普遍認為只有解決了LED燈具實際壽命遠小于理論壽命的問題，才能真正取代傳統(tǒng)照明得到大面積推廣。

普通條件外推法為最常見的燈具壽命測試方法。但根據(jù)LED的理論壽命，其測試時間將長達十數(shù)年，此試驗周期長、成本高，并不適用LED燈具。因此，對LED壽命加速試驗?zāi)Ｐ图捌淇煽啃缘难芯渴欠浅１匾摹?/p>

1 LED壽命預(yù)測最新進展

1.1 相關(guān)標準

美國能源之星于2008年開始發(fā)布了一系列關(guān)于LED檢測的標準，包涵了LED整體式燈具測試標準、LM-79-08、LM-80-08及TM-21-11。其中LM-80-08主要是光通量的測試方法，而TM-21-11 是基于 LM-80-08 得到的數(shù)據(jù)，提出了相關(guān)壽命預(yù)估的方法。2014年，其又在LM-80-08和TM-21-11的基礎(chǔ)上，提出了LM-84-14及TM-28-14標準。

1.2 恒定應(yīng)力加速老化研究進展

為了實現(xiàn)LED照明產(chǎn)品壽命的快速估算，許多科研人員針對在恒定應(yīng)力加速下的老化實驗研究。S.I. Chan等人研究了恒定溫度與濕度，加速對LED光源的老化[1]，研究其失效機理，得到的不同老化條件下LED光輸出如下圖1所示。

袁長安等人根據(jù)LM-80-08標準，研究了LED燈具恒定溫度應(yīng)力條件下的加速老化實驗[2]，該實驗根據(jù)e指數(shù)衰減理論，將LM-80-08標準規(guī)定的測試時間從6000小時最終降至1300小時，大大縮減了壽命老化時間。

張斌等人對LED燈具進行了高溫高濕的加速老化實驗，其針對影響LED失效的主要模式，選擇采用Conffin-Manson加速模型，計算出不同水平應(yīng)力下失效模型的壽命分布[3]。

經(jīng)過大量文獻總結(jié)，發(fā)現(xiàn)LED照明在恒定應(yīng)力壽命預(yù)測實驗中主要存在兩個問題：一個是實驗適當?shù)慕Y(jié)束時間，另一個為建模方法的選取。

1.3 階梯應(yīng)力加速老化研究進展

階梯應(yīng)力加速老化是指對同一組實驗樣本在不同時間施加不同大小的應(yīng)力來進行實驗研究，其只需一組實驗樣本，不僅節(jié)省成本，還不會因不同的樣本產(chǎn)生實驗誤差。

C. M. Liao等人對LED燈具進行了溫度階梯應(yīng)力加速老化測試[4]，論證了LED光衰路徑符合維納過程，基于極大似然函數(shù)法對所得數(shù)據(jù)進行分析，并采用累積退化量相等模型對階梯應(yīng)力進行轉(zhuǎn)化計算。最后給出了優(yōu)化階梯應(yīng)力加速老化測試的算法。

H. Y. Tang 等人對LED燈具的階梯應(yīng)力加速老化測試進行了研究[5]，得到了階梯應(yīng)力加速老化曲線呈非線性關(guān)系的結(jié)論，同時對模擬結(jié)果與計算結(jié)果進行了驗證，證明其可靠性。

楊輝等人對LED模塊進行了電流應(yīng)力階梯增加及降低的老化實驗[6]，實驗應(yīng)力數(shù)為5個，采用累計失效率相等模型對階梯應(yīng)力進行轉(zhuǎn)化計算，實驗時間約1200小時。

2 LED燈具的失效分析

LED燈具的失效主要可以從電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機械應(yīng)力、封裝等幾方面進行分析。其中電應(yīng)力導(dǎo)致的失效主要指LED產(chǎn)品遭電流過載或靜電沖擊而引起的失效，熱應(yīng)力失效主要是由于燈具內(nèi)部溫度過高，超過其額定值，使某些系統(tǒng)或模塊發(fā)生失效。機械應(yīng)力失效是LED燈具在生產(chǎn)、運輸過程中，內(nèi)部組件遭到超過其承受值的應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移而引發(fā)的失效。封裝失效則是設(shè)計或生產(chǎn)工藝不合理而引起的失效。

在進行LED燈具失效分析時，不僅要對整個系統(tǒng)進行分析，還要對各子系統(tǒng)及模塊進行失效分析。綜合相關(guān)資料，根據(jù)燈具的實際情況，分析各個子系統(tǒng)的失效模式及此模式對燈具性能的影響，繪制表格如表1。

3 結(jié)束語

本文介紹了LED照明產(chǎn)品相關(guān)標準的概況及對恒定應(yīng)力、步進應(yīng)力的加速老化研究進展做了介紹。同時對LED照明產(chǎn)品失效做了分析，發(fā)現(xiàn)引起故障的主要原因可以歸結(jié)為燈具熒光粉的碳化、驅(qū)動電路板過熱燒壞、硅膠老化及元器件錯位脫落。在今后的研究中，除了對LED燈具進行電流、溫度應(yīng)力作用外，還需對其進行振動、電磁干擾等其他應(yīng)力影響的探究。

參考文獻：

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[4]C. H. Hu， M. Y. Lee， J. Tang. Optimum step-stress accelerated degradation testfor Wiener degradation process under constraints[J]. European Journal of OperationalResearch，2015，241（2）：412-421.

[5]H. Y. Tang， D. G. Yang， G.Q. Zhang， F. Z. Hou， M. Cai， Z. F. Cui. Multi-physicssimulation and reliability analysis for LED luminairs under step stress accelerateddegradation test [J]. 13th international conference on thermal， mechanical andmulti-physics simulation and experiments in microelectronics and Microsystems，Eurosime， 2012，1/5-5/5.

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