楊藝偉 莊益孌 徐洪海 裘科名

摘 要：LED燈具作為新一代光源被廣泛應(yīng)用，但由于其實(shí)際壽命遠(yuǎn)低于理論壽命而被詬病。文章介紹了恒定應(yīng)力及階梯應(yīng)力加速老化測(cè)試下的LED壽命研究進(jìn)展，及對(duì)LED燈具的失效分析。

關(guān)鍵詞：LED壽命；應(yīng)力測(cè)試；失效分析

中圖分類號(hào)：TM923.34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）20-0069-02

Abstract： As a new generation of light sources， LED lamps are widely used， but their actual life span is far shorter than their theoretical life span. This paper introduces the research progress of life span of LED under a constant stress and step stress accelerated aging test， and makes the failure analysis of LED lamps.

Keywords： life span of LED； stress test； failure analysis

引言

2017年，全球LED行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為6481億美元，預(yù)計(jì)2020年中國(guó)LED照明的滲透率達(dá)到60%-70%，將逐步成為新一代的照明光源。對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，LED燈具壽命是所有參數(shù)中最重要的一個(gè)，理論上，LED燈具的壽命能達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)，但其電光轉(zhuǎn)換效率僅有10%到15%，其余部分則全部變?yōu)闊崃颗欧?，影響其發(fā)光性能及縮短了實(shí)際壽命。業(yè)界普遍認(rèn)為只有解決了LED燈具實(shí)際壽命遠(yuǎn)小于理論壽命的問(wèn)題，才能真正取代傳統(tǒng)照明得到大面積推廣。

普通條件外推法為最常見(jiàn)的燈具壽命測(cè)試方法。但根據(jù)LED的理論壽命，其測(cè)試時(shí)間將長(zhǎng)達(dá)十?dāng)?shù)年，此試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高，并不適用LED燈具。因此，對(duì)LED壽命加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌淇煽啃缘难芯渴欠浅１匾摹?/p>

1 LED壽命預(yù)測(cè)最新進(jìn)展

1.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)能源之星于2008年開(kāi)始發(fā)布了一系列關(guān)于LED檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，包涵了LED整體式燈具測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、LM-79-08、LM-80-08及TM-21-11。其中LM-80-08主要是光通量的測(cè)試方法，而TM-21-11 是基于 LM-80-08 得到的數(shù)據(jù)，提出了相關(guān)壽命預(yù)估的方法。2014年，其又在LM-80-08和TM-21-11的基礎(chǔ)上，提出了LM-84-14及TM-28-14標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 恒定應(yīng)力加速老化研究進(jìn)展

為了實(shí)現(xiàn)LED照明產(chǎn)品壽命的快速估算，許多科研人員針對(duì)在恒定應(yīng)力加速下的老化實(shí)驗(yàn)研究。S.I. Chan等人研究了恒定溫度與濕度，加速對(duì)LED光源的老化[1]，研究其失效機(jī)理，得到的不同老化條件下LED光輸出如下圖1所示。

袁長(zhǎng)安等人根據(jù)LM-80-08標(biāo)準(zhǔn)，研究了LED燈具恒定溫度應(yīng)力條件下的加速老化實(shí)驗(yàn)[2]，該實(shí)驗(yàn)根據(jù)e指數(shù)衰減理論，將LM-80-08標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試時(shí)間從6000小時(shí)最終降至1300小時(shí)，大大縮減了壽命老化時(shí)間。

張斌等人對(duì)LED燈具進(jìn)行了高溫高濕的加速老化實(shí)驗(yàn)，其針對(duì)影響LED失效的主要模式，選擇采用Conffin-Manson加速模型，計(jì)算出不同水平應(yīng)力下失效模型的壽命分布[3]。

經(jīng)過(guò)大量文獻(xiàn)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)LED照明在恒定應(yīng)力壽命預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)中主要存在兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是實(shí)驗(yàn)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)束時(shí)間，另一個(gè)為建模方法的選取。

1.3 階梯應(yīng)力加速老化研究進(jìn)展

階梯應(yīng)力加速老化是指對(duì)同一組實(shí)驗(yàn)樣本在不同時(shí)間施加不同大小的應(yīng)力來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其只需一組實(shí)驗(yàn)樣本，不僅節(jié)省成本，還不會(huì)因不同的樣本產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差。

C. M. Liao等人對(duì)LED燈具進(jìn)行了溫度階梯應(yīng)力加速老化測(cè)試[4]，論證了LED光衰路徑符合維納過(guò)程，基于極大似然函數(shù)法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并采用累積退化量相等模型對(duì)階梯應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)化計(jì)算。最后給出了優(yōu)化階梯應(yīng)力加速老化測(cè)試的算法。

H. Y. Tang 等人對(duì)LED燈具的階梯應(yīng)力加速老化測(cè)試進(jìn)行了研究[5]，得到了階梯應(yīng)力加速老化曲線呈非線性關(guān)系的結(jié)論，同時(shí)對(duì)模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，證明其可靠性。

楊輝等人對(duì)LED模塊進(jìn)行了電流應(yīng)力階梯增加及降低的老化實(shí)驗(yàn)[6]，實(shí)驗(yàn)應(yīng)力數(shù)為5個(gè)，采用累計(jì)失效率相等模型對(duì)階梯應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)化計(jì)算，實(shí)驗(yàn)時(shí)間約1200小時(shí)。

2 LED燈具的失效分析

LED燈具的失效主要可以從電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、封裝等幾方面進(jìn)行分析。其中電應(yīng)力導(dǎo)致的失效主要指LED產(chǎn)品遭電流過(guò)載或靜電沖擊而引起的失效，熱應(yīng)力失效主要是由于燈具內(nèi)部溫度過(guò)高，超過(guò)其額定值，使某些系統(tǒng)或模塊發(fā)生失效。機(jī)械應(yīng)力失效是LED燈具在生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程中，內(nèi)部組件遭到超過(guò)其承受值的應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移而引發(fā)的失效。封裝失效則是設(shè)計(jì)或生產(chǎn)工藝不合理而引起的失效。

在進(jìn)行LED燈具失效分析時(shí)，不僅要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，還要對(duì)各子系統(tǒng)及模塊進(jìn)行失效分析。綜合相關(guān)資料，根據(jù)燈具的實(shí)際情況，分析各個(gè)子系統(tǒng)的失效模式及此模式對(duì)燈具性能的影響，繪制表格如表1。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了LED照明產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的概況及對(duì)恒定應(yīng)力、步進(jìn)應(yīng)力的加速老化研究進(jìn)展做了介紹。同時(shí)對(duì)LED照明產(chǎn)品失效做了分析，發(fā)現(xiàn)引起故障的主要原因可以歸結(jié)為燈具熒光粉的碳化、驅(qū)動(dòng)電路板過(guò)熱燒壞、硅膠老化及元器件錯(cuò)位脫落。在今后的研究中，除了對(duì)LED燈具進(jìn)行電流、溫度應(yīng)力作用外，還需對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)、電磁干擾等其他應(yīng)力影響的探究。

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