LED加速壽命和可靠性試驗(yàn)

1. 概述

隨著近年來(lái)LED光效的不斷提升，LED的壽命和可靠性越來(lái)越受到業(yè)界的重視，它是LED產(chǎn)品最重要的性能之一。壽命是可靠性的終極表現(xiàn)，然而LED的理論壽命很長(zhǎng)，像傳統(tǒng)光源采用2h45min開(kāi)、15min關(guān)的循環(huán)測(cè)試到壽命終了，對(duì)LED產(chǎn)品的測(cè)量顯然不現(xiàn)實(shí)。因此有必要對(duì)LED產(chǎn)品采用加速老化壽命試驗(yàn)[1]，同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)測(cè)試LED的熱學(xué)特性、環(huán)境耐候性、電磁兼容抗擾度等與壽命和可靠性密切相關(guān)的性能，以綜合分析LED的壽命。

2. LED可靠性和壽命相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)

LED產(chǎn)品制造中的每一個(gè)元件和環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)其可靠性和壽命產(chǎn)生影響，例如，LED結(jié)和基板的虛焊、LED熒光粉的熱猝滅和退化、封裝材料的退化以及驅(qū)動(dòng)器的失效等，最后退化的可能才是半導(dǎo)體(PN結(jié))本身。這些因素導(dǎo)致LED產(chǎn)品失效(退化)的方式也不盡相同，一般可分為緩變退化(gradual degradation)和瞬變退化(abrupt degradation)。

LED的緩變退化(失效)指標(biāo)主要包括：

流明維持率下降，即光衰，一般以初始光通量為100%，當(dāng)LED產(chǎn)品的流明維持率下降到初始值的70%或50%時(shí)，認(rèn)為L(zhǎng)ED失效，流明維持壽命相應(yīng)記為L(zhǎng)50或L70;

顏色漂移，受到熒光粉或封裝材料的變化，LED的顏色會(huì)在壽命期間內(nèi)發(fā)生漂移，該漂移應(yīng)在指定范圍以內(nèi)(如△u’v’≤0.007)，超過(guò)范圍則視為L(zhǎng)ED失效;

電性能變化，電性能變化能更為直觀地監(jiān)測(cè);

開(kāi)關(guān)次數(shù)，開(kāi)關(guān)可能會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)等電路產(chǎn)生一定影響;

熱阻變化和其它熱特性參數(shù)曲線，熱特性與壽命息息相關(guān)，對(duì)熱特性的測(cè)量和分析有助于找出LED可靠性的薄弱環(huán)節(jié);

LED的瞬變退化(失效)即LED的光輸出突然降為0，其主要退化包括：抗電磁干擾能力：靜電放電、雷擊浪涌、快速群脈沖、周波跌落;高低溫沖擊耐受性特性;鹽霧、耐濕、振動(dòng)等。

3. 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

針對(duì)LED的主要緩變退化，國(guó)際上已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相繼發(fā)布，以是北美體系和國(guó)際照明委員會(huì)(IEC)體系最為典型，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)則基本融合了這兩個(gè)體系。

•ENERGY STAR? Program Requirements Product Specification Eligibility Criteria ;

•IES LM-80-08 Approved Method for Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources;

•IES TM-21-11 Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Packages

•IEC/PAS 62717 LED modules for general lighting – Performance requirements

•EC/PAS 62722-2-1 Luminaire Performance –Part 2-1: Particular requirements for LED luminaires

•我國(guó)的GB/T 24824、GB/T24823、QB/T4057等

•我國(guó)的GB/T XXXX LED加速壽命試驗(yàn)方法(尚未發(fā)布)

3. 北美體系和IEC系統(tǒng)對(duì)LED壽命和壽命試驗(yàn)方法的要求

北美體系和IEC系統(tǒng)在對(duì)LED產(chǎn)品的壽命要求和試驗(yàn)方法方面都有所區(qū)別，但針對(duì)于LED燈具壽命的評(píng)估，二者都提出直接老化測(cè)試燈具，或根據(jù)封裝LED、LED模塊等的老化試驗(yàn)進(jìn)行推算。

3.1 北美體系

如表1所示，Energy Star將對(duì)LED燈具壽命的試驗(yàn)方法分為選項(xiàng)1和選項(xiàng)2，其中，選項(xiàng)1是通過(guò)測(cè)試光源推導(dǎo)燈具的壽命;而選項(xiàng)2僅適用于光源和燈具不可分的一體化燈具，直接測(cè)試燈具的光通維持率。選項(xiàng)1，L70(6k)的表示是指，利用6000h(6K)的老化測(cè)試推導(dǎo)出的流明維持壽命L70的時(shí)間。

表1：美國(guó)“Energy Star(能源之星)”對(duì)LED燈具壽命的要求

現(xiàn)對(duì)LM-80 和TM-21兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求總結(jié)如下：

適用范圍：LED封裝、模塊、陣列等;

考察對(duì)象：只考察光通維持壽命，即緩變失效因素

老化溫度：指定點(diǎn)殼溫(Ts)為55℃，85℃和第三個(gè)指定溫度，三個(gè)溫度覆蓋燈具中LED光源的Ts溫度。

老化時(shí)間：6000h，推薦10000h;

樣本數(shù)量要求及其與外推壽命時(shí)間的關(guān)系：20個(gè)以上樣品，外推壽命最高為老化時(shí)間的6倍;10-19個(gè)，外推壽命最高為老化時(shí)間的5.5倍;

光色參數(shù)測(cè)試時(shí)間：至少每1000h測(cè)量一次;

對(duì)突然失效的處理：觀察記錄，調(diào)查確認(rèn)突然失效是因?yàn)楣庠幢旧碓?

記錄顏色衰變：有;

數(shù)據(jù)記錄：每個(gè)LED的光通維持、中間值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最小和最大光通維持率值;

曲線擬合：1. 以初始值為1，歸一化光通維持率;

2. 在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，求得測(cè)試樣品歸一值的平均值;

3. 數(shù)據(jù)要求：不采用小于1000h內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù);老化6000h-10000h，至少用5000h的數(shù)據(jù);大于10000h，用最后50%的數(shù)據(jù)。

外推計(jì)算：推薦指數(shù)模型。

3.2 IEC體系

IEC體系中用Lx Fy 來(lái)表征LED產(chǎn)品的壽命，其中，Lx表示光通量維持率，如L70;Fy表示失效率，包括緩變失效率By和瞬變失效率Cy。例如：L70F50為30000h是指：50%的模塊在30000h后的光通維持率在70%以下。

對(duì)于普通照明用的白光LED產(chǎn)品，IEC并不強(qiáng)調(diào)對(duì)聲稱(chēng)的壽命進(jìn)行驗(yàn)證，而是對(duì)限定時(shí)間的流明維持率進(jìn)行分級(jí)。

IEC 中對(duì)LED模塊和燈具的光通維持率測(cè)試如表2所示。特別注意的是IEC體系中，LED模塊或燈具的瞬變失效和緩變失效是要在最終的Fy指標(biāo)上體現(xiàn)出來(lái)的。對(duì)于一組LED模塊，按試驗(yàn)樣品20個(gè)計(jì)算，若聲稱(chēng)F50，則至少n-2個(gè)模塊通過(guò);若聲稱(chēng)F10，則n個(gè)模塊全部通過(guò)試驗(yàn)。

老化試驗(yàn)中的溫度也特別值得關(guān)注。LED模塊老化應(yīng)在外殼指定點(diǎn)為T(mén)p溫度下老化，相當(dāng)于北美體系中的Ts;而燈具則在環(huán)境溫度Tq下考察其性能，并且應(yīng)確保在聲稱(chēng)的Tq max下， 模塊溫度Tp不會(huì)超過(guò)。

4. 加速老化和壽命測(cè)試系統(tǒng)

對(duì)于加速老化和壽命的測(cè)試，無(wú)論采用北美體系或IEC體系，其硬件測(cè)量裝置基本相同，一般主要包括恒溫試驗(yàn)箱、多路電源、多路溫度巡檢儀等。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于LED加速老化和壽命測(cè)試系統(tǒng)的研制也十分關(guān)注。由于LED光源或燈具的光色性能需在室溫(25℃±1℃)條件下測(cè)量，因此國(guó)外典型設(shè)備一般需要和積分球光譜儀系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，在LED老化到一定時(shí)間后冷卻恒溫箱內(nèi)溫度，并將被測(cè)LED取出到積分球系統(tǒng)中進(jìn)行光色測(cè)量。該操作過(guò)程很繁瑣，若測(cè)試間隔時(shí)間較短，則整個(gè)老化測(cè)試十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而當(dāng)測(cè)試間隔較長(zhǎng)是，則不能及時(shí)反映LED光色參數(shù)的變化過(guò)程，被測(cè)LED的失效時(shí)間的記錄誤差較大。

在我國(guó)863計(jì)劃課題的支持下，杭州遠(yuǎn)方光電通過(guò)自主創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)了即加速老化和光色測(cè)試于一體的測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示為系統(tǒng)照片。系統(tǒng)具備90個(gè)功位，可分三溫區(qū)同時(shí)老化測(cè)試90個(gè)被測(cè)LED(30個(gè)×3)，其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是在恒溫箱中設(shè)置光信號(hào)取樣裝置，并與光色測(cè)量設(shè)備相連，被測(cè)LED的光色參數(shù)可在箱內(nèi)直接而不需要取出測(cè)量，可全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)老化測(cè)試以及數(shù)據(jù)分析。使得原本漫長(zhǎng)而繁復(fù)的LED老化、壽命試驗(yàn)和溫度試驗(yàn)變得十分的簡(jiǎn)單與輕松，數(shù)據(jù)更為精確可靠。設(shè)備含有多項(xiàng)遠(yuǎn)方公司獨(dú)有的專(zhuān)利技術(shù)，整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)整體性好，美觀大方，無(wú)論是使用者還是評(píng)估者，無(wú)論是內(nèi)在還是外觀，都會(huì)讓人信服。

利用上述測(cè)量裝置，還可在不同的環(huán)境溫度下(高溫狀態(tài))，測(cè)量被測(cè)LED的光色度，獲得LED光度-環(huán)境溫度曲線(溫度特性試驗(yàn))。圖2為典型的LED 相對(duì)光通量隨環(huán)境溫度的變化曲線，滿足IES LM-82-11[2]以及關(guān)于CFL[3]的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5. 小結(jié)

影響LED產(chǎn)品壽命和可靠性的因素有很多，相關(guān)的測(cè)試也較為復(fù)雜，其中最重要的是光通維持率測(cè)試，雖然已出臺(tái)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求不盡相同，但基本的試驗(yàn)方法和裝置要求基本相同。在國(guó)家863課題的支持下，我國(guó)已自主開(kāi)發(fā)了具有高智能化的加速老化和壽命測(cè)試系統(tǒng)，使我國(guó)工業(yè)界能夠進(jìn)行操作簡(jiǎn)便、高精度、低成本的光通維持壽命檢測(cè)，同時(shí)該系統(tǒng)還可測(cè)試光色參數(shù)隨環(huán)境溫度變化的曲線，滿足最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求即發(fā)展趨勢(shì)。此外，我國(guó)在LED的熱電光綜合分析系統(tǒng)和電磁兼容測(cè)試等方面也取得了諸多突破，建立了LED可靠性預(yù)測(cè)機(jī)制及BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[4]，為更全面地考察LED的壽命和可靠性提供了技術(shù)支持和裝備保障。