LED应用于照明领域的可靠性及成本分析

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1、LED应用于照明领域的可靠性及成本分析 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

2、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

3、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

4、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　　L

5、ED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

6、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

7、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

8、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