关于LED灯具可靠性检测工作的思考

 随着LED技术的快速发展，LED在照明领域的各个方面应用也越来越广泛，并逐渐开始占据照明市场的主导地位。

　　LED作为新型照明光源，在很多方面具有传统光源所无法比拟的优势。但是，它在实际应用过程中仍存在一些问题而导致它没有达到其理论上的使用寿命和光度参数上的要求。因此，如果不能实现高可靠性、长寿命的LED光源，即使光效再好，高昂的维护成本必然限制其在各个领域的应用。白炽灯的额定寿命一般是1000小时，荧光灯的平均寿命是10000小时，而根据美国照明研究中心(LRC)Narendran等人对白光LED进行的寿命实验，LED的寿命可以达到10万小时。

　　一、LED灯具可靠性检测的重要性

　　照明LED商业化到现在还不足15年，技术仍在不断发展和完善。而各生产厂商在外延到芯片到封装技术水平上也相差较大，同一厂商生产的不同批次LED质量也参差不齐。再加上应用产品的设计以及使用方法的差别，照明LED的寿命完全达不到理论上的10万小时。因此，提高LED的可靠性是LED研究的重中之重。而对LED可靠性的研究是提高其可靠性和使用寿命的前提和基础。对LED的可靠性的研究不仅能从根源上对LED的失效机理进行分析，进而从设计、工艺以及使用等方面提出改进方案，而且可对LED照明产品的可靠性提供全面的评估，为LED早期失效筛选及产品质量管理提供依据，因此，LED可靠性的研究无论对于LED科研还是LED产业都具有非常重要的学术价值和实用价值。

　　美国能源部(DOE)固态照明2010年技术路线也将LED照明产品的可靠性强化试验和加速寿命试验的相关评价与测试技术作为最近几年的重要研究方向，并获得美国研究机构的支持。科锐、飞利浦等照明巨头也投入巨大人力、物力进行LED可靠性方面的研究。我国工信部、科技部、国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)、广东省科技厅近年来也投入许多资金加大对LED照明产品可靠性方面的支持和研究。许多高校、研究机构、标准联盟都提出计划准备制定LED可靠性和加速寿命试验方面的标准，但是由于缺少可靠的研究成果，目前各类检测和认证在评估LED灯具寿命时都仍然按LED灯具在正常工作状态燃点，然后测量光衰的办法。

二、LED灯具可靠性和寿命检测的现状

　　按照国家标准，传统荧光灯和节能灯的性能测试方法都要测试2000h光衰和6000h寿命。目前CQC的LED照明产品节能认证是测量3000h、6000h和10000h光衰来评判LED灯具的寿命；而美国的能源之星对LED照明产品进行认证时，光衰减测试的最低要求是6000小时。这些测试方法虽然能检测出样品的实际寿命情况，但是测试时间太长，测试费用也过高，完全不能满足市场的需求。因为有别于传统灯具技术比较成熟和稳定，LED技术发展迅速，每隔半年产品用的芯片和产品外形都有很大的变化，等到6000小时的光衰试验做完，这个产品可能已经被市场淘汰，因此我们必须找到更快速和更科学的LED灯具可靠性检测方法。

　　如果把LED灯具看作一个系统，根据可靠性检测我们可以把它分为三个子系统，分别是光源模块(模组)子系统，驱动电源子系统和接口子系统。笔者认为，目前某些研究机构提出把整体灯具进行寿命加速试验然后来预测寿命这个方法不太妥当。不同系统的失效原理和加速原理都差异巨大，得出来的数据并不可靠。所以，应该按照不同子系统来分开对待。LED灯具的驱动电源子系统无论和传统灯具的控制装置比较，还是和目前市场上的其余电子产品的电源比较，技术难度并不算高，对光源可靠性的影响也没有传统灯具控制器那么大，所以按照目前的LED控制装置的国家标准和国际标准严格测试就基本可以保证它的可靠性。接口子系统通过振动和接口插拔等试验也可以保证它的可靠性，关键需要研究的是LED光源模块子系统。

　　三、LED光源模块的失效原因

　　LED光源模块一般由基板、芯片、封装材料(包括荧光粉)、透镜组成，某些模块还包括散热装置和导热硅胶，现在流行的封装方式有DOB和COB。因为LED光源模块设计的多样性和组成的复杂性，所以造成失效的原因也非常多，一般包括以下几点：

　　1.封装材料退化

　　LED在日常生活使用的过程中，长时间的工作会让LED的蓝光与GaN系统中的带间辐射复合所产生的紫外线的辐射和温度升高而引致LED的外表封装材料(如环氧树脂)内的许多聚合物的光学透明度的大辐度下降，从而引起了LED的出光效率的下降。

　　对于这个封装材料的退化会引起LED的出光效率降低的这个问题，D.L.Barton等人曾做过研究试验。实验表明当LED的环境温度为95℃、驱动电流大于40mA时，LED的pn结温度超过145℃，这个温度是让封装材料达到了变色的临界状态。如果在大电流的条件下，封装材料甚至会出现碳化，从而在器件的表面生成一种不透明物质或形成导电通道，致使器件失效。

2.污染物焊接

　　LED的污染物焊接是指LED在封装过程中，LED芯片的电极被液滴、油污、纤维、粉尘等物质所覆盖污染，导致LED的焊点部分或全部接触不良而形成的缺陷，这是危害最大的LED焊接缺陷。

　　据实验表明，当污染物覆盖了整个焊点时，在焊接处会形成金属—介质—金属结构，也称为隧道结。而在器件发光的过程中，由于隧道结的存在，LED芯片的峰值波长的发光强度会降低到正常时的60%。因此，对LED封装焊接缺陷进行可靠性检测是十分必要的。

　　3.固晶底胶引起的失效

　　在白光LED行业中常用到的固晶胶有氧树脂绝缘胶、硅树脂绝缘胶、银胶，而三者各有利弊，在选用时要综合考虑。环氧树脂：绝缘胶导热性差，但亮度高；硅树脂绝缘：胶导热效果比环氧树脂稍好，亮度高，但由于硅成分占一定比例，固晶片时旁边残留的硅树脂与荧光胶里的环氧树脂相结合时会产生隔层现象，经过冷热冲击后将产生剥离导致死灯；银胶的导热性比前两者都好，可以延长LED芯片的寿命，但银胶对光的吸收比较大，导致亮度低。对于双电极蓝光晶片在用银胶固晶时对胶量的控制也很严格，否则容易产生短路，直接影响到产品的良品率。因此，对于不同类型的器件产品，要适当地选用不同的固晶底胶，这样才能更好地降低由其引起的器件失效。

　　4.荧光粉失效

　　实现白光LED的途径有多种，目前使用最普遍、最成熟的一种是通过LED芯片产生的蓝光激发黄色荧光粉，所以荧光粉的材质对白光LED的衰减影响很大。市场最主流的白光荧光粉是YAG铝石榴石荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉。与蓝光LED芯片相比，荧光粉的失效会导致LED的光衰加速，从而降低LED的寿命。实验表明荧光粉在温度为80℃时，激发效率会降低2%，冷却后又恢复，而这个很短时间的一个测试说明了LED温度的升高会让荧光粉的性能下降，而LED长时间工作在高温下，会对荧光粉造成不可逆转的衰退，还会普遍出现LED的波长蓝移的问题。

　　所以，白光LED的光衰减甚至失亮的很大部分原因就是热作用下荧光粉性能的快速衰减。因此，荧光粉自身的质量对LED的正常发光寿命有着很重要的影响。

　　5.散热问题引起的失效

　　LED是一种固态的半导体器件，而LED芯片的表面面积较小，工作时电流密度大，且用于照明时往往要求多个LED组合而成。LED密集度大，导致芯片发热密度高，而结温上升会导致光输出减少，芯片加快蜕化，缩短器件寿命。表1给出了几种不同材料的热导率。可以看出，目前在功率型LED的制备中，技术最为成熟、使用最多的蓝宝石衬底的热导率只有35～46W/(m×K)，不足Si材料的1/4。

　　如果要考虑到实际应用中对色漂移的不良影响，热设计也要对最高结温进行限制。由于LED芯片输入功率的不断提高，对这些功率型LED的封装技术就提出了更高的要求，如今散热问题已成为制约高功率LED发展的关键因素。

6.LEDGaN基外延材料缺陷引起的失效

　　由于没有与GaN相配的衬底材料，目前在绝大部分的LED器件中的GaN薄膜中存在着大量的缺陷。GaN材料与目前主流衬底蓝宝石的晶格常数的失配率为14%，而在蓝宝石衬底上生长的GaN材料位错密度为108/cm3～1010/cm3。

　　在LED的制备过程中，材料的缺陷会对载流子有吸附作用，从而在有源层中形成无辐射的复合中心，增加了光的吸收，导致LED发光效率的下降；当电流足够大时，载流子才会发生辐射的复合，但这又会引起晶格振动，晶格的热运动会加速缺陷的形成，造成LED异质结的退化。器件中接触的金属电极在电应力和热应力的作用下就会沿着错位迁移，从而形成低通欧姆阻道，这会引致器件光功率的下降和漏电流的增加。因此，提高外延材料的质量，降低材料中的缺陷密度能有效提高LED器件的可靠性。

　　7.静电损伤引起的失效

　　GaN材料具有3.39eV的宽禁带，高电阻率。因此，GaN基LED芯片在其生产、运送的过程中所产生的静电电荷容易积累而产生高的静电电压。蓝宝石衬底的GaN基LED器件的结构对静电的承受能力是很小的，极易被其产生的静电击穿。在无静电保护的情况下，人体所产生的静电容易将LED局部击穿，LED器件被静电击穿后将造成永久性失效。

　　8.P型GaN欧姆接触老化

　　Meneghesso等人在分析GaN的失效过程中，通过LED器件在退化前后的I-V特性，Meneghesso等人认为这些变化是由于P-GaN透明导电膜与金属导线电极的欧姆接触在大电流和热的影响下退化，导致串联电阻的增加，产生了电流密集效应，从而使得发光效率的下降；在大电流注入的情况下，缺陷会发生增值，最终导致漏电流的增加。因此，P-GaN的金属电极的欧姆接触对LED的光学性能起重要的作用。

　　除了以上原因，其余失效原因还包括芯片与基板的焊接空洞、层裂，透镜的黄化、开裂，芯片的开路、短路等。

　　四、LED灯具加速寿命测试方法

　　为了快速发现LED光源模块的失效点和薄弱点，通常采用加速寿命试验对其进行可靠性研究试验。所谓加速寿命试验就是在不改变失效机理的前提下，采用提高应力的方法，使器件加速失效，以便在较短的时间内取得加速情况下的失效率、寿命等数据，然后推算出在正常状态应力条件下的可靠性特征量。加大应力情况下能加快LED内部物理化学的变化，迅速暴露出器件结构设计和材料的缺陷，为LED光源模块结构设计和材料优化提供依据和参考。目前常用的施加应力条件包括温度、湿度、振动与冲击、太阳辐射(紫外辐射)、电磁辐射、气压强度、化学物质(腐蚀气体)、沙尘、电压、电流等，多项研究证明，针对LED光源模块比较有效的加速应力主要是温度、湿度、电流和振动，LED灯具可靠性试验方法的关键在于如何采用应力的组合方式、施加时间和施加方式。按照在试验时施加应力的方式，加速寿命试验可以分为以下几种。

1.恒定应力加速寿命试验

　　恒定应力加速寿命试验是将样品分为几组，每一组都在一个固定的应力下进行试验，样品在试验期间所承受的应力保持不变，应力水平数不少于3个。该试验的试验时间较长，样品数量相对多一些。但与其他两种加速寿命试验相比是最为成熟的试验方法，其试验设备相对简单，试验条件易于控制，试验结果误差也较小，因而得到广泛应用。目前美国能源之星对LED灯具寿命的测试就是采用这个方法，必须先测试LED芯片在55℃，85℃以及一个厂家指定的温度环境下的6000小时光衰数据，然后再测试LED芯片在LED灯具中的温度，就可以推算出LED灯具寿命。但是恒定应力加速方法所需要的时间还是太长，无法适应市场的需要。

　　2.步进应力加速寿命试验

　　步进应力加速寿命试验是样品在试验期间所承受的应力按一定的时间间隔阶梯式增加，直至样品产生足够的退化为止。该试验能够在较短的时间内观察到元器件的失效，而且只需要一组试验样品。但是两组应力之间的时间间隔不容易确定。时间间隔太短，则变更应力时的过渡效应会对产品的老化结果带来影响，时间间隔太长，则与恒定应力加速寿命试验无本质区别。而且以步进应力加速寿命试验来确定产品的寿命——应力关系的话，误差也相对较大。

　　目前一个研究热点就是利用步进温度应力和恒定高湿度应力对LED光源子系统进行加速退化试验，从而预测其寿命。运用这个方法必须基于以下五个假设：

　　(1)试验样品经历的性能退化不可逆转，即性能退化过程具有单调性。

　　(2)在每一个加速应力水平下，试验样品的失效机理与失效模式均保持不变。

　　(3)在不同应力水平下试验样品的加速退化数据具有相同的分布形式，同时利用性能退化数据得到的样品伪失效寿命在不同应力水平下应服从同一分布类型。

　　(4)试验样品具有“无记忆特性”，其残余寿命与累积的方式无关，仅取决于加载的应力水平和已累积失效部分。

　　(5)可以通过线性或线性化的表达式来描述产品的性能退化过程。

　　一般选定三个步进温度应力水平和一个恒定湿度应力水平，首先计算具体温度应力步长时间，然后确定置信度、样品数量等，当试验时间到达终止时间，选取拟合程度较高的退化模型拟合退化数据，计算出样品在恒定高湿应力下不同温度应力水平的伪失效寿命，最后求出正常应力水平下的光源可靠度分布函数等可靠性特征，并计算出寿命。利用此方法一般测试时间为2000小时，可以满足市场需要，但是最终可靠的研究成果还未通过与实际点燃灯具寿命的比对验证。

　3.序进应力加速寿命试验

　　序进应力加速寿命试验是样品在试验期间所承受的应力按时间等速增加，直至样品产生足够的退化为止，该试验的优点是加速效率最高，试验时间最短。但试验的过程中应力随时间连续增加，为了确定元器件的退化程度与应力-时间的依赖关系，需要在几个不同的应力-时间变化率上重复做几次试验，因此这就决定了其统计分析非常复杂，而且试验装置比较昂贵，因而较少采用。

　　4.高加速寿命试验

　　现在一个LED可靠性强化试验方向是在步进应力加速和序进应力加速的基础上，综合其它应力条件的高加速寿命试验(HALT)。根据标准GWM8287，高加速寿命试验的第一步是进行步进温度试验。

　　第二步进行快速温度变化试验。

　　第三步进行步进振动试验。

　　第四步进行步进振动和快速温度变化同时作用的试验。

　　最后根据实际样品情况在上述四个步骤的基础上进行序进应力加速循环试验，把几种应力条件不断提高，直到产品失效为止。这种方法的主要目的是找到产品的应力极限，不可预测寿命，一般试验时间小于100小时。

　　这四种加速寿命试验各有优缺点，在实际的可靠性研究试验中应针对不同试验品特点进行试验方法的选择。

　　五、结论

　　目前LED灯具可靠性和加速寿命检测方法都在研究当中，不同的研究机构都有自己的研究方向和观点。笔者认为2000小时左右的加速测试时间市场可以接受，检测费用也不会过高，应力加速测试时间结束后，除了测试常用的LED灯具光通量、色坐标等指标以外，建议可以加上LED电噪声功率谱等一些可以反映微观物理机制改变的可靠性指标。因为光通量的变化并不敏感，加速寿命测试后，某些LED灯具实际可靠性结构和微观物理机制已经发生变化，但是光通量和色坐标并没有明显变化，如果配以其他可靠性指标的测试可以提高可靠性检测结果的可信度。