李文濤 白虹 肖海清 陶自強 王宏偉 付艷玲 于紅梅 魏瑋

(中國檢驗檢疫科學(xué)研究院 北京 100123)

1 前言

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)是在半導(dǎo)體PN結(jié)或類似結(jié)構(gòu)中通以正向電流，以高效率發(fā)出可見光或紅外輻射的器件，是一種新型固態(tài)冷光源，具有能效高、壽命長、電壓低、體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、抗震性能好等優(yōu)點，越來越廣泛地應(yīng)用于各式各樣的電子組件及產(chǎn)品中，作為公認(rèn)的新型下一代綠色光源，大功率LED已經(jīng)出現(xiàn)在道路照明、室內(nèi)照明、汽車大燈等傳統(tǒng)照明領(lǐng)域［1－3］。雖然LED是公認(rèn)的高可靠性產(chǎn)品，但是關(guān)于大功率LED壽命測試數(shù)據(jù)的報道仍顯不足［4］。研究人員在LED壽命試驗方面做了大量的研究工作，常見的壽命試驗方法為普通條件外推法，但是由于LED理論壽命為10萬h，需要長達11.8年時間不間斷的進行，試驗成本高、周期長、產(chǎn)品更新?lián)Q代快，因此通常采用電流、溫度等對LED芯片、模塊或燈具進行加速壽命試驗，分析大功率LED的失效模式及失效的物理機制。通過實驗分析(光、電等參數(shù)表征、纖維形貌表征和化學(xué)成分分析等)結(jié)合理論分析(數(shù)值模擬)的方法對LED的壽命進行有效的分析與預(yù)測［5］。本文主要論述大功率LED的加速壽命試驗方法研究進展。

2 LED光源的壽命

與傳統(tǒng)光源不同，LED的理論壽命很長，即使光通量衰減到初始值的50%，它依舊能持續(xù)點亮很長時間。照明設(shè)計師需要確切了解其能發(fā)出不低于有效光通量、能滿足他們設(shè)計的壽命，而不是其“不亮”的壽命，以精確計算安裝、維護、更換成本，與傳統(tǒng)光源做比對?；谝陨显?，往往采用光通量維持率來計算LED的有效壽命。我國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 24823－2009普通照明用LED模塊 性能要求》［6］將LED模塊的壽命定義為光通量衰減到初始值的70%時的累積點燃時間(L70)。

根據(jù)美國能源部(DOE)關(guān)于固態(tài)照明產(chǎn)品(SSL)“能源之星”的壽命閾值要求［7］，如果6000 h最小光通量維持率為91.8%，則最大聲稱壽命L70=25000 h;如果6000 h最小光通量維持率為94.1%，則最大聲稱壽命L70=35000 h。

3 大功率LED的壽命測試標(biāo)準(zhǔn)

大功率LED的可靠性測試包括環(huán)境試驗和耐久性試驗。常用的試驗方法有美國電子器件工程聯(lián)合委員會(JESD)、日本電子情報技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(JEITA)和美國軍方標(biāo)準(zhǔn)(MIL－STD)的標(biāo)準(zhǔn)方法［5］。大功率LED壽命測試是耐久性試驗中的一項重要內(nèi)容，現(xiàn)在發(fā)布了對大功率LED壽命的規(guī)范和壽命測試的一些方法。北美照明協(xié)會(IESNA)發(fā)布了LED光源流明維持測量方法LM－80標(biāo)準(zhǔn)［8］，該標(biāo)準(zhǔn)中的壽命為實際測得壽命，不包括通過外推方法進行壽命的估計和推斷。所以，北美照明協(xié)會又制定了TM－21標(biāo)準(zhǔn)［9］，專門用于對壽命進行外推的情況。目前，行業(yè)內(nèi)還沒形成比較統(tǒng)一的針對大功率LED可靠性試驗規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)，這也導(dǎo)致了不同的企業(yè)各自形成自己的可靠性試驗方案。國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 24908－2010普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈性能要求》里關(guān)于平均壽命的測試方法按照國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 24824－2009普通照明用LED模塊測試方法》里的第5.5條款的要求和附錄D方法進行［6，10］，其主要方法為在25℃環(huán)境里通過測量產(chǎn)品每300 h的光通量，直至6000 h的光通維持率推算產(chǎn)品壽命值。然而，該試驗方法并未給出LED光通量隨時間變化的函數(shù)匹配曲線公式或算法，所以，仍然無法有效估算LED的壽命。此外，總共6000 h的壽命試驗，試驗周期仍然很長。因此，急需較為統(tǒng)一的加速試驗規(guī)范，在盡可能短的時間內(nèi)對LED照明產(chǎn)品可靠性和壽命進行科學(xué)判定，為檢驗把關(guān)提供科學(xué)、快速的評定方法，也可以幫助企業(yè)盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，提高LED產(chǎn)品的品質(zhì)。

4 大功率LED加速壽命試驗方法研究進展

隨著LED生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，產(chǎn)品壽命和可靠性得到很大改善。如果仍采用常規(guī)額定應(yīng)力下的壽命試驗，很難對產(chǎn)品的壽命和可靠性做出較為客觀的評價，因此，中外很多學(xué)者對LED的加速壽命試驗方法進行了有益探索，取得了很多重要進展。

在加速壽命試驗方法理論研究方面，孫曉君等［2］介紹了一種適用于工業(yè)條件下的、器件篩選和器件質(zhì)量保證等環(huán)節(jié)的、半導(dǎo)體發(fā)光器件的加速壽命試驗設(shè)計方法，以及關(guān)于可靠性預(yù)計評估的試驗數(shù)據(jù)分析處理方法。通過該方法，在針對LED的性能退化現(xiàn)象和運行不穩(wěn)定問題進行加速試驗設(shè)計時，可以在已知目標(biāo)可靠度和置信度的前提下，定量地確定滿足可靠性要求的試驗樣本量、加速應(yīng)力水平及試驗時間。賀衛(wèi)利等［11］研究了根據(jù)加速應(yīng)力評價LED壽命的測試方法和數(shù)學(xué)模型，在不同的加速試驗應(yīng)力條件下測試了大功率LED可靠性，并建立了LED壽命的幾種數(shù)學(xué)模型，最后根據(jù)具體事例，通過選擇加速應(yīng)力和試驗方法，給出具體推導(dǎo)LED壽命的數(shù)學(xué)公式。

在加速壽命試驗方法研究方面，對于LED的加速條件主要為溫度應(yīng)力和電流應(yīng)力［12］，分為單一加速應(yīng)力和復(fù)合加速應(yīng)力2種情況。國內(nèi)外已有一些學(xué)者在單一加速應(yīng)力方面進行了積極的探索。趙阿玲等［1，13］對大功率白光 LED以電流為應(yīng)力進行加速壽命試驗，分析研究光通量、發(fā)光效率、峰值波長、主波長和電壓等參數(shù)隨老化時間的變化情況，通過對試驗出現(xiàn)的結(jié)果和失效現(xiàn)象進行分析比較，得出結(jié)論：LED衰變退化的主要原因是熒光粉的退化、封裝材料的熱退化、散熱問題導(dǎo)致的退化、P型歐姆接觸退化等。陳宇等［4］設(shè)計了加速條件為－25℃/125℃的高低溫循環(huán)加速老化實驗，分析了光電熱等特性隨老化時間的變化情況，試驗結(jié)果表明：不同結(jié)構(gòu)材料封裝的LED器件光衰速率不同，藍光LED器件的主波長變化不明顯，白光LED器件色溫略有變化;器件的結(jié)溫、熱阻隨老化時間呈升高趨勢;高低溫循環(huán)加速老化的實驗方法對評價LED的可靠性有重要的參考意義。Jeong等人［14］開發(fā)了一種－20℃ －75℃的溫度循環(huán)加速壽命試驗方法，可快速暴露用于冰箱顯示的LED的缺陷，可顯著提高生產(chǎn)廠家篩選出有缺陷LED的效率。

也有不少報道采用復(fù)合加速應(yīng)力的試驗方法。Yanagisawa等［15］對基于InGaN的白光LED進行了加速壽命試驗，試驗條件為在高溫(40℃)和高濕(90%RH)環(huán)境下，對LED施加較高的電流應(yīng)力，試驗時間為5700 h，考察了LED的光輸出隨試驗時間延長的變化并分析了退化的原因，推算出在正常工作條件下，該LED燈的半壽命(一半LED燈失效的壽命)為1.5萬h。Yang等人［16］通過同時施加大電流和高溫兩個加速因素，研究了大功率LED芯片及封裝的退化機理，結(jié)果表明，LED芯片的結(jié)溫和老化時間是導(dǎo)致LED光輸出退化的重要原因。

LED常見的失效機制有：芯片材料失效、電遷移破壞、芯片擊穿、封裝材料失效、鍵合失效、熒光粉失效和基板失效等。其他失效機理：由于局部溫度過高導(dǎo)致金線與電極開路;由于各材料之間熱膨脹系數(shù)存在差異，溫度的變化造成的應(yīng)力使得金線斷裂;芯片鍵合老化;倒裝芯片中焊球的脫落等［4］。加速壽命試驗的關(guān)鍵在于建立壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，利用外推法求得正常應(yīng)力水平下的壽命特征。現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，不同類型、結(jié)構(gòu)的LED有不同的失效機制，很難用一種數(shù)學(xué)模型解決所有LED的壽命預(yù)測問題。因此，在加速壽命試驗過程中須將各種可能的失效都加以考慮，并逐項考察不同失效機制在相同應(yīng)力下的失效情況，開發(fā)與這些機制對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

利用加速壽命試驗預(yù)測LED的壽命，最關(guān)鍵的問題是要不改變LED的失效機理。因此，不管用何種加速應(yīng)力，都需要跟正常應(yīng)力的試驗結(jié)果進行比對。目前，國內(nèi)外的許多學(xué)者［1－4，11－16］已經(jīng)利用加速壽命試驗獲得了很多有用的試驗結(jié)果，并提出了預(yù)測LED壽命的數(shù)學(xué)模型，對LED的可靠性評定和篩選具有重要的參考意義。但是，現(xiàn)有的這些研究結(jié)果都缺乏正常應(yīng)力下的長壽命試驗數(shù)據(jù)，在今后的研究中，需要進一步積累正常應(yīng)力下的壽命試驗數(shù)據(jù)。

目前，常用LED光通量的衰減作為LED失效的判據(jù)。已有的研究結(jié)果表明［11－16］，經(jīng)過加速壽命試驗之后，LED不僅會出現(xiàn)光輸出退化現(xiàn)象，其色溫、光譜特征、電學(xué)特性等參數(shù)也發(fā)生了明顯的變化。因此，在光通量的衰減之外，是否可以用其他參數(shù)作為LED失效的判據(jù)，是未來需要研究和解決的問題。此外，也需要研究光通量的衰減與其他參數(shù)之間的相關(guān)性。

值得注意的是，LED照明產(chǎn)品主要由LED驅(qū)動電源和LED模塊組成，LED照明產(chǎn)品的壽命由LED模塊和驅(qū)動電源之間壽命最短者決定，LED驅(qū)動電源的壽命是保證LED照明產(chǎn)品長壽命的重要保障?，F(xiàn)有報道的研究對象大多都是LED模塊或LED芯片，因此，今后應(yīng)對LED驅(qū)動電源的加速壽命試驗方法和失效機制的研究引起足夠的重視。

5 結(jié)束語

本文簡要介紹了大功率LED壽命的定義、測試技術(shù)及加速壽命試驗方法的最新進展。國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)也設(shè)計了一系列的加速環(huán)境應(yīng)力試驗方法，如：通電的溫濕度試驗、溫度循環(huán)試驗、大電

流加速試驗、溫度和大電流復(fù)合加速試驗等等。但是，任何一種試驗都不能很好地解釋如下情況：試驗條件及結(jié)果與實際使用產(chǎn)品可靠性之間的聯(lián)系。所以，即便LED通過了試驗篩選，仍不能肯定LED是否可以應(yīng)用于實際的工作環(huán)境。從另一方面看，通過加速壽命試驗，能夠在較短時間內(nèi)預(yù)測出LED產(chǎn)品正常應(yīng)力條件下的壽命特征，試驗所提供的直觀試驗結(jié)果，可以部分地反映LED在工作環(huán)境中的工作壽命，從而為篩選提供依據(jù)。因此，加速壽命試驗是對大功率LED照明產(chǎn)品長期使用可靠性進行評價的有效途徑，其存在的一些不足，是未來需要重點解決的課題。

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