LED照明灯具可靠性测试方法及成本控制


    近年来,由于LED的技术发展迅速,主要性能指标有很大提高,目前LED器件的发光效超过200lm/W,产业化水平达110~120lm/W,可以作为光源在照明领域推广应用,目前已进入室外景观照明、功能性照明、商用照明等领域。在应用过程中,有几个主要技术和成本问题,如LED照明灯具的能效还不高,LED白光的光色在某些照明场合还不合适,LED灯具的可靠性还不高,有些产品寿命很短,另外LED灯具的价格目前普遍偏高等,这些问题有待进一步解决和提高。业界同行对LED光源的可靠性和成本问题比较重视,均在努力解决之中。本文也将着重对这两个问题进行较为详细的描述及分析。

  一、LED照明灯具可靠性
有关LED照明灯具的分类、性能指标及可靠性等,美国“能源之星”中已有很具体的规定[1],可靠性指标中,主要规定LED照明灯具寿命3.5万小时,在全寿命期内色度变化在CIE1976(u,v)中0.007以内。美国SSL计划中规定白光LED器件寿命在2010-2015年中为5万小时。国内对LED照明灯具的寿命要求一般也提到3~3.5万小时。

  上述提到LED灯具寿命和色保持度的指标,从目前来看是很高的,实际上很多LED灯具还达不到这个要求,因为LED灯具所涉及的技术问题很多、很复杂,其中主要是系统可靠性问题,包含LED芯片、封装器件、驱动电源模块、散热和灯具的可靠性。以下分别对这些问题进行分析:

  1.LED灯具可靠性相关内容介绍

  在分析LED灯具可靠性之前,先对LED可靠性有关的基本内容作些介绍,将对LED灯具可靠性的深入分析有所帮助。

  (1)本质失效、从属失效

  LED器件失效一般分为二种:本质失效和从属失效。本质失效指的是LED芯片引起的失效,又分为电漂移和离子热扩散失效。从属失效一般由封装结构材料、工艺引起,即封装结构和用的环氧、硅胶、导电胶、荧光粉、焊接、引线、工艺、温度等因素引起的。

  (2)十度法则

   某些电子器件在一定温度范围内,温度每升高10℃,其主要技术指标下降一半(或下降1/4)。实践证明,LED器件热沉温度在50℃至80℃时,LED 寿命值基本符合十度法则。最近也有媒体报道:LED器件温度每上升2℃,其寿命下降10%,当温度从63℃上升至74℃时,平均寿命下降3/4。因为器件封装工艺不同,完全可能出现这种现象。

    (3)寿命的含义

  LED寿命是指在规定工作条件下,光输出功率或光通量衰减到初始值的70%的工作时间,同时色度变化保持在0.007内。

  LED平均寿命的意义是LED产品失效前的工作时间的平均值,用MTTF来表示,它是电子器件最常用的可靠性参数。

  可靠性试验内容包括可靠性筛选、环境试验、寿命试验(长期或短期)。我们这里所讨论的只是寿命试验,其他项目暂不考虑。

  (4)长期寿命试验

  为了确认LED灯具寿命是否达到3.5万小时,需要进行长期寿命试验,目前的做法基本上形成如下共识:因GaN基的LED器件开始的输出光功率不稳定,所以按美国ASSIST联盟规定,需要电老化1000小时后,测得的光功率或光通量为初始值。之后加额定电流3000小时,测量光通量(或光功率)衰减要小于4%,再加电流3000小时,光通量衰减要小于8%,再通电4000小时,共1万小时,测得光通量衰减要小于14%,即光通量达到初始值的86%以上。此时才可证明确保LED寿命达到3.5万小时。

  (5)加速(短期)寿命试验

  电子器件加速寿命试验可以在加大应力(电功率或温度)下进行试验,这里要讨论的是采用温度应力的办法,测量计算出来的寿命是LED平均寿命,即失效前的平均工作时间。采用此方法将会大大地缩短LED寿命的测试时 间,有利于及时改进、提高LED可靠性。加温度应力的寿命试验方法在文章[2]中已详细论述,主要是引用“亚玛卡西”(yamakoshi)的发光管光功率缓慢退化公式,通过退化系数得到不同加速应力温度下LED的寿命试验数据,再用“阿伦尼斯”(Arrhenius)方程的数值解析法得到正常应力(室 温)下的LED的平均寿命,简称“退化系数解析法”,该方法采用三个不同应力温度即165℃、175℃和185℃下,测量的数据计算出室温下平均寿命的一致性。该试验方法是可靠的,目前已在这个研究成果上,起草制定“半导体发光二极管寿命的试验方法”标准,国内一些企业也同时研制加速寿命试验的设备仪器。

 2. LED器件可靠性

  LED器件可靠性主要取决于二个部分:外延芯片及器件封装的性能质量,这二种失效机理完全不一样,现分别叙述。

  (1)外延芯片的失效

   影响外延芯片性能及质量的,主要是与外延层特别是P-n结部分的位错和缺陷的数目和分布情况,金属与半导体接触层质量,以及外延层及芯片表面和周边沾污 引起离子数目及状况有关。芯片在加热加电条件下,会逐步引起位错、缺陷、表面和周边产生电漂移及离子热扩散,使芯片失效,正是上面所说的本质失效。要提高外延芯片可靠性指标,从根本上要降低外延生长过程中产生的位错和缺陷以及外延层表面和周边的沾污,提高金属与半导体接触质量,从而提高工作寿命的时间。目 前有报道,对裸芯片作加速寿命试验,并进行推算,一般寿命达10万小时以上,甚至几十万小时。

  (2)器件封装的失效

  有报道称:LED器件失效大约70%以上是由封装引起,所以封装技术对LED器件来说是关键技术。有关LED器件封装技术在文章[3]、[4]中有详细论述,所以在此不作介绍,只简要分析有关LED器件封装的可靠性问题。LED封装引起的失效是从属失效,其原因很复杂,主要来源有三部分:

  其一,封装材料不佳引起,如环氧、硅胶、荧光粉、基座、导电胶、固晶材料等。

  其二,封装结构设计不合理,如材料不匹配、产生应力、引起断裂、开路等。

  其三,封装工艺不合适,如装片、压焊、点胶工艺、固化温度及时间等。

   为提高器件封装可靠性,首先在原材料选用方面要严格控制材料的质量,在封装结构上除了考虑出光效率和散热外,还要考虑多种材料结合在一起时的热涨匹配问题。在封装工艺上,要严格控制每道工序的工艺流程,尽量采用自动化设备、确保工艺的一致性及重复性,保障LED器件性能和可靠性指标。

 3. LED驱动电源模块

  现阶段国内LED驱动电源有较多质量问题,据报道,LED灯具失效,约70%以上是由驱动电源引起,这个问题应引起行内业者的重视。首先来分析电源模块功能,一般由四部分组成:

  电源变换:高压变低压、交流变直流、稳压、稳流。

  驱动电路:分立器件或集成电路能输出较大功率组成的电路。

  控制电路:控制光通量、光色调、定时开关及智能控制等。

  保护电路:保护电路内容太多,如过压保护、过热保护、短路保护、输出开路保护、低压锁存、抑制电磁干扰、传导噪声、防静电、防雷击、防浪涌、防谐波振荡等。

   作为LED驱动模块的功能,电源变换和驱动电路一定要有,控制电路要看实际需求而定,保护电路要根据实际产品可靠性的需要来确定,采取保护电路,需要增加费用,这与电源的成本是矛盾的。有报道称,如果电源成本每瓦平均2~3元,其性价比还是较高。如何提高驱动电源模块质量,确保LED灯具的可靠性,原则 上应采取以下几点措施:

  其一,电源模块必须选用品质好的电子元器件。

  其二,整体线路设计合理,包含电源变换、驱动电路、控制电路和保护电路。

  其三,选用合适的保护电路,既可保护模块性能质量,又不增加太多的成本。

  根据现有电源驱动模块的质量水平,要确保LED灯具寿命达到3.5万小时,其难度是很大的。

  4.散热问题

  LED照明灯具的可靠性(寿命)很大程度上取决于散热水平,所以提高散热水平是关键技术之一。主要是解决芯片产生多余热量通过热沉、散热体传出去,这是个很复杂的技术问题。下面将分别叙述:

  (1)功率LED定义

   哪些LED需要考虑散热问题,功率LED需要散热。功率LED是指工作电流在100mA以上的发光二极管。是我国行标参照美国ASSIST联盟定义的, 按现有二种LED的正向电压典型值2.1V及3.3V,即输入功率在210mw及330mw以上的LED均为功率LED,都需要考虑器件热散问题,有些人可能有不同看法,但实践证明,要提高功率LED的可靠性(寿命),就要考虑功率LED的散热问题。

    (2)散热有关参数

  与LED散热有关的主要参数有热阻、结温和温升等。

  a.热阻

  热阻是指器件的有效温度与外部规定参考点温度之差除以器件中的稳态功率耗散所得的商。它是表示器件散热程度的最重要参数。目前散热较好的功率LED热阻≤10℃/W,国内报道最好的热阻≤5℃/W,国外可达热阻≤3℃/W,如做到这个水平可确保功率LED的寿命。

  b.结温

  结温是指LED器件中主要发热部分的半导体结的温度。它是体现LED器件在工作条件下,能否承受的温度值。
   芯片及荧光粉的耐热性还是很高的,目前已经达到芯片结温在150℃下,荧光粉在130℃下,基本对器件的寿命不会有什么影响。说明芯片荧光粉耐热性愈高,对散热的要求就愈低。

  c.温升

   温升有几种不同的温升,我们这里所讨论的是:管壳-环境温升。它是指LED器件管壳(LED灯具可测到的最热点)温度与环境(在灯具发光平面上,距灯具 0.5米处)温度之差。它是一个可以直接测量到的温度值,并可直接体现LED器件外围散热程度,实践已证明,在环境温度为30℃时,如果测得LED管壳为 60℃,其温升应为30℃,此时基本上可确保LED器件的寿命值,如温升过高,LED光源的维持率将会大幅度下降。

   d.散热新问题

  随着LED照明产品的发展,有二种新的技术:其一,为了增大单管的光通量,注 入更大的电流密度,如下面所提,以致芯片产生更多的热量,需要散热。其二,封装新结构,随着LED光源功率的增大,需要多个功率LED芯片集合封装在一 起,如COB结构、模块化灯具等,会产生更多的热量,需要更有效的散热结构及措施,这又给散热提出新课题,否则会极大地影响LED灯具的性能及寿命。

  综上所述,一定要提高散热水平,但近期有人提出“随着LED光效提高,散热就不重要”,我认为这是不对的,因为LED灯具做得很好,其总能效也只是50%,还有很多电能要变成热。其次,LED大电流密度和模块化灯具等都会产生更多集中的余热,需要很好散热。为提高散热水平提出几点原则性意见:

  其一,从LED芯片来说,要采取新结构、新工艺,提高LED芯片结温的耐热性,以及其他材料的耐热性,使得对散热条件要求降低。

  其二,降低LED器件的热阻,采用封装新结构、新工艺,选用导热性、耐热性较好的新材料,包含金属之间粘合材料、荧光粉的混合胶等,使得热阻≤10℃/W或更低。

  其三,降低升温,尽量采用导热性好的散热材料,在设计上要求有较好的通风孔道,使余热尽快散出去,要求升温应小于30℃。另外,提高模块化灯具的散热水平应提到日程上来。

  其四,散热的办法很多,如采用热导管,当然很好,但要考虑成本因素,在设计时应考虑性价比问题。

  此外,LED灯具的设计除了要提高灯具效率、配光要求、外形美观之外,要提高散热水平,采用导热好的材料,有报道称,散热体涂上某些纳米材料,其导热性能增加30%。另外,要有较好的机械性能和密封性,散热体还要防尘,要求LED灯具的温升应小30℃。

  二、LED照明灯具的成本问题

   LED光源是否能全面进入照明领域,其光源的成本是最关键的,从目前看,不同LED产品,比传统产品的成本差价还有5~10倍,而且由于主要技术指标还 要进一步提高,不断提出采用新结构、新材料、新技术、新工艺,这无疑给LED成本带来新的压力。根据美国SSL计划提出的要求,2015年达到集成价格2 美元/klm。从目前的成本价位,要求成本每年平均下降20%,基本上可以达到上述指标,这是非常艰巨的任务,下面从二个层面提出几点降低成本的方法,供 大家讨论。

  1.规模化生产及提高成品率

  采用自动化设备进行大规模生产,可大幅度提高生产效率、节省费用、降低成本。另外,采用工艺措施和质保体系的管理办法来提高成品率,同样是降低成本的好办法。2.技术创新降低成本

  要降低成本重点要从技术上进行创新,采用新结构、新技术、新材料、新工艺,既可提高LED性能指标,又可有效地大幅度降低成本,这是努力的方向,以下介绍几个办法。

  (1)外延芯片降低成本办法

  从现阶段来看,LED芯片的成本占LED光源的比例是较高的,要重点从外延芯片上下功夫降低成本,介绍四个具体办法。

  其一,增大外延片面积:外延生长的园片面积,从目前采用2寸及部分4寸已瞄准目标向6寸进军,虽然外延芯片面积增大,在技术上要克服片子的均匀性、龟裂、变形等出现的新问题,但降低成本非常显著。另外,生产MOCVD的厂家目前还正在研发8寸圆片的设备。

   其二,改进外延生长:Veeco亚洲总裁王克扬介绍从MOCVD的良品、工艺、架构着手,具体对平均无故障间隔时间(MTBF),平均清洁间隔时间 (MTBC)、平均修复时间(MTTR)这三种时间进行改进,以及设备间匹配性和线上工艺控制,可提高产量,使外延片的成本从2009年的1美元/cm2 降至2014年的0.2美元/cm2。

  其三,增加电流密度:国外几个主要公司均在研发增加LED正向电流的电流密度,来提高单颗功率LED发光的光通量,以达到同样照度时而减少LED的数量,当然会牺牲部分光效,如果从目前正向电流350mA增到2A时,光通量可增加4~5倍,成本将大幅度下降。当然还要解决结温耐热性、封装材料耐热性及散热等新问题。

  其四,降低开启电压VF:目前GaN开启电压VF的典型值为3.3V,国外正在研发降低VF值,如果达2.8V之内,当输入功率降低时可获得同样的光通量(光效),即能效提高,节约成本。

  (2)LED封装

  改进LED封装工艺,采用新结构、新材料、新工艺,提高LED封装成品率,降低LED封装成本,是封装企业始终努力的目标。现另介绍一些降低封装成本的办法。

  其一,封装材料与芯片分开,制作封装材料透镜、荧光粉薄膜等,与芯片隔开进行封装,此方法工艺简单、散热较好,产品性能的稳定性、均匀性较好,可提高封装器件的可靠性,而且封装的成本也较低,是器件封装的主要方向之一。

 其二,采用COB 封装形式,即LED多芯片集成封装。有报道称,采用COB封装,可降低封装成本30%,但要解决好封装的出光效率和散热问题。

  (3)LED灯具

  LED灯具包含散热体的成本占LED照明产品的比例也是较高的,为降低灯具成本,可以从二方面考虑。

  其一,灯具含散热体的设计合理,减少材料浪费。选用合适的材料,既有较好的机械性能和散热性能,又要合理的性价比。

  其二,模块化灯具,即将LED芯片、驱动电源和散热体等封装在一起成模块单元,进行标准化生产。根据不同灯具要求,可采用模块单元组合装配。这种模块化装配方式可极大地降低制造成本。但要解决好能效和散热的新问题。

   要使LED光源全面进入照明领域,目前急需解决的是LED照明灯具系统可靠性和降低成本的二大问题。通过上述分析,从LED灯具各组成的环节部分,即外 延芯片、器件封装、驱动电源、散热、灯具等来看,必须分别进行可靠性设计、试验,各自达到可靠性指标,才能保障系统可靠性,使LED灯具寿命达3.5万小 时。在降低成本方面,认真做好提高成品率、规模化生产的同时,重点在技术创新,特别在外延芯片、器件封装、灯具设计上要不断改进创新,使LED灯具成本能 大幅度降低,并于2015年之前,实现LED照明灯具销售价在15元/klm之内。

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