- 簡析LED燈具可靠性測試方法及成本控制問題
- 原材料選用方面要嚴格控制材料的質量
- 在封裝結構上考慮出光效率和散熱
- 并考慮多種材料結合在一起時的熱漲匹配問題
近年來，由于LED的技術發展迅速，主要性能指標有很大提高，目前LED器件的發光效超過200lm/W,產業化水平達110~120lm/W,可以作為光源在照明領域推廣應用，目前已進入室外景觀照明、功能性照明、商用照明。
近年來，由于LED的技術發展迅速，主要性能指標有很大提高，目前LED器件的發光效超過200lm/W,產業化水平達110~120lm/W,可以作為光源在照明領域推廣應用，目前已進入室外景觀照明、功能性照明、商用照明等領域。在應用過程中，有幾個主要技術和成本問題，如LED照明燈具的能效還不高，LED白光的光色在某些照明場合還不合適，LED燈具的可靠性還不高，有些產品壽命很短，另外LED燈具的價格目前普遍偏高等，這些問題有待進一步解決和提高。業界同行對LED光源的可靠性和成本問題比較重視，均在努力解決之中。本文也將著重對這兩個問題進行較為詳細的描述及分析。
一、LED燈具可靠性
有關LED燈具的分類、性能指標及可靠性等，美國“能源之星”中已有很具體的規定[1],可靠性指標中，主要規定LED照明燈具壽命3.5萬小時，在全壽命期內色度變化在CIE1976（u,v）中0.007以內。美國SSL計劃中規定白光LED器件壽命在2010-2015年中為5萬小時。國內對LED照明燈具的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的指標，從目前來看是很高的，實際上很多LED燈具還達不到這個要求，因為LED燈具所涉及的技術問題很多、很復雜，其中主要是系統可靠性問題，包含LED芯片、封裝器件、驅動電源模塊、散熱和燈具的可靠性。以下分別對這些問題進行分析：
1、LED燈具可靠性相關內容介紹
在分析LED燈具可靠性之前，先對LED可靠性有關的基本內容作些介紹，將對LED燈具可靠性的深入分析有所幫助。
（1）本質失效、從屬失效
LED器件失效一般分為二種：本質失效和從屬失效。本質失效指的是LED芯片引起的失效，又分為電漂移和離子熱擴散失效。從屬失效一般由封裝結構材料、工藝引起，即封裝結構和用的環氧、硅膠、導電膠、熒光粉、焊接、引線、工藝、溫度等因素引起的。
（2）十度法則
某些電子器件在一定溫度范圍內，溫度每升高10℃，其主要技術指標下降一半（或下降1/4）。實踐證明，LED器件熱沉溫度在50℃至80℃時，LED壽命值基本符合十度法則。最近也有媒體報道：LED器件溫度每上升2℃，其壽命下降10%,當溫度從63℃上升至74℃時，平均壽命下降3/4.因為器件封裝工藝不同，完全可能出現這種現象。
（3）壽命的含義
LED壽命是指在規定工作條件下，光輸出功率或光通量衰減到初始值的70%的工作時間，同時色度變化保持在0.007內。
LED平均壽命的意義是LED產品失效前的工作時間的平均值，用MTTF來表示，它是電子器件最常用的可靠性參數。
可靠性試驗內容包括可靠性篩選、環境試驗、壽命試驗（長期或短期）。我們這里所討論的只是壽命試驗，其他項目暫不考慮。
（4）長期壽命試驗
為了確認LED燈具壽命是否達到3.5萬小時，需要進行長期壽命試驗，目前的做法基本上形成如下共識：因GaN基的LED器件開始的輸出光功率不穩定，所以按美國ASSIST聯盟規定，需要電老化1000小時后，測得的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%,即光通量達到初始值的86%以上。此時才可證明確保LED壽命達到3.5萬小時。
（5）加速（短期）壽命試驗
電子器件加速壽命試驗可以在加大應力（電功率或溫度）下進行試驗，這里要討論的是采用溫度應力的辦法，測量計算出來的壽命是LED平均壽命，即失效前的平均工作時間。采用此方法將會大大地縮短LED壽命的測試時間，有利于及時改進、提高LED可靠性。加溫度應力的壽命試驗方法在文章[2]中已詳細論述，主要是引用“亞瑪卡西”（yamakoshi）的發光管光功率緩慢退化公式，通過退化系數得到不同加速應力溫度下LED的壽命試驗數據，再用“阿倫尼斯”（Arrhenius）方程的數值解析法得到正常應力（室溫）下的LED的平均壽命，簡稱“退化系數解析法”,該方法采用三個不同應力溫度即165℃、175℃和185℃下，測量的數據計算出室溫下平均壽命的一致性。該試驗方法是可靠的，目前已在這個研究成果上，起草制定“半導體發光二極管壽命的試驗方法”標準，國內一些企業也同時研制加速壽命試驗的設備儀器。
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2、LED器件可靠性
LED器件可靠性主要取決于二個部分：外延芯片及器件封裝的性能質量，這二種失效機理完全不一樣，現分別敘述。
（1）外延芯片的失效
影響外延芯片性能及質量的，主要是與外延層特別是P-n結部分的位錯和缺陷的數目和分布情況，金屬與半導體接觸層質量，以及外延層及芯片表面和周邊沾污引起離子數目及狀況有關。芯片在加熱加電條件下，會逐步引起位錯、缺陷、表面和周邊產生電漂移及離子熱擴散，使芯片失效，正是上面所說的本質失效。要提高外延芯片可靠性指標，從根本上要降低外延生長過程中產生的位錯和缺陷以及外延層表面和周邊的沾污，提高金屬與半導體接觸質量，從而提高工作壽命的時間。目前有報道，對裸芯片作加速壽命試驗，并進行推算，一般壽命達10萬小時以上，甚至幾十萬小時。
（2）器件封裝的失效
有報道稱：LED器件失效大約70%以上是由封裝引起，所以封裝技術對LED器件來說是關鍵技術。有關LED器件封裝技術在文章[3]、[4]中有詳細論述，所以在此不作介紹，只簡要分析有關LED器件封裝的可靠性問題。LED封裝引起的失效是從屬失效，其原因很復雜，主要來源有三部分：
其一，封裝材料不佳引起，如環氧、硅膠、熒光粉、基座、導電膠、固晶材料等。
其二，封裝結構設計不合理，如材料不匹配、產生應力、引起斷裂、開路等。
其三，封裝工藝不合適，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格控制材料的質量，在封裝結構上除了考慮出光效率和散熱外，還要考慮多種材料結合在一起時的熱漲匹配問題。在封裝工藝上，要嚴格控制每道工序的工藝流程，盡量采用自動化設備、確保工藝的一致性及重復性，保障LED器件性能和可靠性指標。
