LED的照明燈具可靠性測試方法及成本控制
近年來，由於發光二極管的技術發展迅速，主要性能指標有很大提高，目前的LED器件的發光效超過 200lm / W型，產業化水平達 110〜120lm / W的，可以作為光源在照明領域推廣應用，目前已進入室外景觀照明，功能性照明，商用照明等領域。在應用過程中，有幾個主要技術和成本問題，如發光二極管照明燈具的能效還不高，LED的白光的光色在某些照明場合還不合適，發光二極管燈具的可靠性還不高，有些產品壽命很短，另外的LED燈具的價格目前普遍偏高等，這些問題有待進一步解決和提高。業界同行對 LED的光源的可靠性和成本問題比較重視，均在努力解決之中。本文也將著重對這兩個問題進行較為詳細的描述及分析。

一，LED的照明燈具可靠性

有關 LED的照明燈具的分類，性能指標及可靠性等，美國'能源之星'中已有很具體的規定 [1]，可靠性指標中，主要規定的LED照明燈具壽命 3.5萬小時，在全壽命期內色度變化在CIE1976（的U，V）中0.007以內。美國的SSL計劃中規定白光LED的器件壽命在2010-2015年中為 5萬小時。國內對 LED的照明燈具的壽命要求一般也提到3〜3.5萬小時。

上述提到的LED燈具壽命和色保持度的指標，從目前來看是很高的，實際上很多的LED燈具還達不到這個要求，因為 LED的燈具所涉及的技術問題很多，很複雜，其中主要是系統可靠性問題，包含的LED芯片，封裝器件，驅動電源模塊，散熱和燈具的可靠性。以下分別對這些問題進行分析：

1.LED燈具可靠性相關內容介紹

在分析的LED燈具可靠性之前，先對 LED的可靠性有關的基本內容作些介紹，將對 LED的燈具可靠性的深入分析有所幫助。

（1）本質失效，從屬失效

發光二極管器件失效一般分為二種：本質失效和從屬失效。本質失效指的是發光二極管芯片引起的失效，又分為電漂移和離子熱擴散失效。從屬失效一般由封裝結構材料，工藝引起，即封裝結構和用的環氧，矽膠，導電膠，熒光粉，焊接，引線，工藝，溫度等因素引起的。

（2）十度法則

某些電子器件在一定溫度範圍內，溫度每升高10℃時，其主要技術指標下降一半（或下降1 / 4）。實踐證明，發光器件熱沉溫度在50℃至80℃時，LED的壽命值基本符合十度法則。最近也有媒體報導：發光二極管器件溫度每上升2℃，其壽命下降10％，當溫度從 63℃上升至74℃時，平均壽命下降3 / 4。因為器件封裝工藝不同，完全可能出現這種現象。

（3）壽命的含義

LED的壽命是指在規定工作條件下，光輸出功率或光通量衰減到初始值的70％的工作時間，同時色度變化保持在0.007內。

LED的平均壽命的意義是LED的產品失效前的工作時間的平均值，用平均無故障時間來表示，它是電子器件最常用的可靠性參數。

可靠性試驗內容包括可靠性篩選，環境試驗，壽命試驗（長期或短期）。我們這裡所討論的只是壽命試驗，其他項目暫不考慮。

（4）長期壽命試驗

為了確認的LED燈具壽命是否達到 3.5萬小時，需要進行長期壽命試驗，目前的做法基本上形成如下共識：因氮化鎵基的發光二極管器件開始的輸出光功率不穩定，所以按美國協助聯盟規定，需要電老化1000小時後，測得的光功率或光通量為初始值。之後加額定電流 3000小時，測量光通量（或光功率）衰減要小於 4％，再加電流 3000小時，光通量衰減要小於 8％ ，再通電 4000小時，共1萬小時，測得光通量衰減要小於 14％，即光通量達到初始值的86％以上。此時才可證明確保 LED的壽命達到 3.5萬小時。

（五）加速（短期）壽命試驗

電子器件加速壽命試驗可以在加大應力（電功率或溫度）下進行試驗，這裡要討論的是採用溫度應力的辦法，測量計算出來的壽命是LED的平均壽命，即失效前的平均工作時間。採用此方法將會大大地縮短 LED的壽命的測試時間，有利於及時改進，提高LED的可靠性。加溫度應力的壽命試驗方法在文章[2]中已詳細論述，主要是引用'亞瑪卡西'（yamakoshi ）的發光管光功率緩慢退化公式，通過退化係數得到不同加速應力溫度下發光二極管的壽命試驗數據，再用'阿倫尼斯'（阿崙尼烏斯）方程的數值解析法得到正常應力（室溫）下的發光二極管的平均壽命，簡稱'退化係數解析法'，該方法採用三個不同應力溫度即165℃，175℃和185℃下，測量的數據計算出室溫下平均壽命的一致性。該試驗方法是可靠的，目前已在這個研究成果上，起草制定'半導體發光二極管壽命的試驗方法，標準，國內一些企業也同時研製加速壽命試驗的設備儀器。

2。發光二極管器件可靠性

發光二極管器件可靠性主要取決於二個部分：外延芯片及器件封裝的性能質量，這二種失效機理完全不一樣，現分別敘述。

（1）外延芯片的失效

影響外延芯片性能及質量的，主要是與外延層特別是的Pn結部分的位錯和缺陷的數目和分佈情況，金屬與半導體接觸層質量，以及外延層及芯片表面和周邊沾污引起離子數目及狀況有關。芯片在加熱加電條件下，會逐步引起位錯，缺陷，表面和周邊產生電漂移及離子熱擴散，使芯片失效，正是上面所說的本質失效。要提高外延芯片可靠性指標，從根本上要降低外延生長過程中產生的位錯和缺陷以及外延層表面和周邊的沾污，提高金屬與半導體接觸質量，從而提高工作壽命的時間。目前有報導，對裸芯片作加速壽命試驗，並進行推算，一般壽命達 10萬小時以上，甚至幾十萬小時。

（2）器件封裝的失效

有報導稱：發光二極管器件失效大約 70％以上是由封裝引起，所以封裝技術對 LED的器件來說是關鍵技術。有關的LED器件封裝技術在文章[3] [4]中有詳細論述，所以在此不作介紹，只簡要分析有關的LED器件封裝的可靠性問題。LED的封裝引起的失效是從屬失效，其原因很複雜，主要來源有三部分：其一，封裝材料不佳引起，如環氧，矽膠，熒光粉，基座，導電膠，固晶材料等。

其二，封裝結構設計不合理，如材料不匹配，產生應力，引起斷裂，開路等。

其三，封裝工藝不合適，如裝片，壓焊，點膠工藝，固化溫度及時間等。

為提高器件封裝可靠性，首先在原材料選用方面要嚴格控制材料的質量，在封裝結構上除了考慮出光效率和散熱外，還要考慮多種材料結合在一起時的熱漲匹配問題。在封裝工藝上，要嚴格控制每道工序的工藝流程，盡量採用自動化設備，確保工藝的一致性及重複性，保障的LED器件性能和可靠性指標。

3。 LED的驅動電源模塊

現階段國內的LED驅動電源有較多質量問題，據報導，發光二極管燈具失效，約 70％以上是由驅動電源引起，這個問題應引起行內業者的重視。首先來分析電源模塊功能，一般由四部分組成：

電源變換：高壓變低壓，交流變直流，穩壓，穩流。

驅動電路：分立器件或集成電路能輸出較大功率組成的電路。

控制電路：控制光通量，光色調，定時開關及智能控制等。

保護電路：保護電路內容太多，如過壓保護，過熱保護，短路保護，輸出開路保護，低壓鎖存，抑制電磁干擾，傳導噪聲，防靜電，防雷擊，防浪湧，防諧波振盪等。

作為 LED的驅動模塊的功能，電源變換和驅動電路一定要有，控制電路要看實際需求而定，保護電路要根據實際產品可靠性的需要來確定，採取保護電路，需要增加費用，這與電源的成本是矛盾的。有報導稱，如果電源成本每瓦平均2〜3元，其性價比還是較高。如何提高驅動電源模塊質量，確保 LED的燈具的可靠性，原則上應採取以下幾點措施：

其一，電源模塊必須選用品質好的電子元器件。

其二，整體線路設計合理，包含電源變換，驅動電路，控制電路和保護電路。

其三，選用合適的保護電路，既可保護模塊性能質量，又不增加太多的成本。

根據現有電源驅動模塊的質量水平，要確保 LED的燈具壽命達到 3.5萬小時，其難度是很大的。

4。散熱問題

LED的照明燈具的可靠性（壽命）很大程度上取決於散熱水平，所以提高散熱水平是關鍵技術之一。主要是解決芯片產生多餘熱量通過熱沉，散熱體傳出去，這是個很複雜的技術問題。下面將分別敘述：

（1）功率的LED定義

哪些需要考慮散熱問題的LED，功率LED的需要散熱。功率的LED是指工作電流在一〇〇毫安以上的發光二極管。是我國行標參照美國協助聯盟定義的，按現有二種發光二極管的正向電壓典型值2.1V時及3.3，即輸入功率在210mw及330兆瓦以上的指示燈均為功率的LED，都需要考慮器件熱散問題，有些人可能有不同看法，但實踐證明，要提高功率的LED的可靠性（壽命），就要考慮功率的LED的散熱問題。

（2）散熱有關參數

與 LED的散熱有關的主要參數有熱阻，結溫和溫升等。

答：熱阻

熱阻是指器件的有效溫度與外部規定參考點溫度之差除以器件中的穩態功率耗散所得的商。它是表示器件散熱程度的最重要參數。目前散熱較好的功率LED的熱阻≤10℃/瓦，國內報導最好的熱阻≤5℃/瓦，國外可達熱阻≤3℃/ W型，如做到這個水平可確保功率發光二極管的壽命。

二結溫

結溫是指LED的器件中主要發熱部分的半導體結的溫度。它是體現的LED器件在工作條件下，能否承受的溫度值。為此美國的SSL計劃制定提高耐熱性目標。

芯片及熒光粉的耐熱性還是很高的，目前已經達到芯片結溫在150℃下，熒光粉在130℃下，基本對器件的壽命不會有什麼影響。說明芯片熒光粉耐熱性愈高，對散熱的要求就愈低。

三溫升

溫升有幾種不同的溫升，我們這裡所討論的是：管殼 - 環境溫升。它是指發光二極管器件管殼（發光二極管燈具可測到的最熱點）溫度與環境（在燈具發光平面上，距燈具 0.5米處）溫度之差。它是一個可以直接測量到的溫度值，並可直接體現的LED器件外圍散熱程度，實踐已證明，在環境溫度為 30℃時，如果測得的LED管殼為 60℃，其溫升應為 30℃，此時基本上可確保 LED的器件的壽命值，如溫升過高，發光光源的維持率將會大幅度下降。四散熱新問題

隨著發光二極管照明，LED的照明產品的發展，有二種新的技術：其一，為了增大單管的光通量，注入更大的電流密度，如下面所提，以致芯片產生更多的熱量，需要散熱。其二，封裝新結構，隨著 LED的光源功率的增大，需要多個功率的LED芯片集合封裝在一起，如芯結構，模塊化燈具等，會產生更多的熱量，需要更有效的散熱結構及措施，這又給散熱提出新課題，否則會極大地影響的LED燈具的性能及壽命。

綜上所述，一定要提高散熱水平，但近期有人提出，隨著 LED的光效提高，散熱就不重要'，我認為這是不對的，因為 LED的燈具做得很好，其總能效也只是50 ％，還有很多電能要變成熱。其次，LED的大電流密度和模塊化燈具等都會產生更多集中的餘熱，需要很好散熱。為提高散熱水平提出幾點原則性意見：

其一，從 LED的芯片來說，要採取新結構，新工藝，提高LED的芯片結溫的耐熱性，以及其他材料的耐熱性，使得對散熱條件要求降低。

其二，降低的LED器件的熱阻，採用封裝新結構，新工藝，選用導熱性，耐熱性較好的新材料，包含金屬之間粘合材料，熒光粉的混合膠等，使得熱阻≤ 10℃/ W型或更低。

其三，降低升溫，盡量採用導熱性好的散熱材料，在設計上要求有較好的通風孔道，使餘熱盡快散出去，要求升溫應小於 30℃。另外，提高模塊化燈具的散熱水平應提到日程上來。

其四，散熱的辦法很多，如採用熱導管，當然很好，但要考慮成本因素，在設計時應考慮性價比問題。

此外，LED的燈具的設計除了要提高燈具效率，配光要求，外形美觀之外，要提高散熱水平，採用導熱好的材料，有報導稱，散熱體塗上某些納米材料，其導熱性能增加30 ％。另外，要有較好的機械性能和密封性，散熱體還要防塵，要求的LED燈具的溫升應小30℃。

二，LED的照明燈具的成本問題

LED的光源是否能全面進入照明領域，其光源的成本是最關鍵的，從目前看，不同的LED產品，比傳統產品的成本差價還有 5〜10倍，而且由於主要技術指標還要進一步提高，不斷提出採用新結構，新材料，新技術，新工藝，這無疑給 LED的成本帶來新的壓力。根據美國的SSL計劃提出的要求，2015年達到集成價格 2美元/荷航。從目前的成本價位，要求成本每年平均下降20％，基本上可以達到上述指標，這是非常艱鉅的任務，下面從二個層面提出幾點降低成本的方法，供大家討論。

1。規模化生產及提高成品率

採用自動化設備進行大規模生產，可大幅度提高生產效率，節省費用，降低成本。另外，採用工藝措施和質保體系的管理辦法來提高成品率，同樣是降低成本的好辦法。

2。技術創新降低成本

要降低成本重點要從技術上進行創新，採用新結構，新技術，新材料，新工藝，既可提高LED的性能指標，又可有效地大幅度降低成本，這是努力的方向，以下介紹幾個辦法。

（1）外延芯片降低成本辦法

從現階段來看，發光芯片的成本佔的LED光源的比例是較高的，要重點從外延芯片上下功夫降低成本，介紹四個具體辦法。

其一，增大外延片面積：外延生長的園片面積，從目前採用 2寸及部分4寸已瞄準目標向6寸進軍，雖然外延芯片面積增大，在技術上要克服片子的均勻性，龜裂，變形等出現的新問題，但降低成本非常顯著。另外，生產金屬有機化學氣相沉積的廠家目前還正在研發 8寸圓片的設備。

其二，改進外延生長：Veeco公司亞洲總裁王克揚介紹從金屬有機化學氣相沉積的良品，工藝，架構著手，具體對平均無故障間隔時間（平均無故障時間），平均清潔間隔時間（MTBC），平均修復時間（MTTR的）這三種時間進行改進，以及設備間匹配性和線上工藝控制，可提高產量，使外延片的成本從 2009年的1美元/平方厘米降至2014年的0.2美元/平方厘米。

其三，增加電流密度：國外幾個主要公司均在研發增加的LED正向電流的電流密度，來提高單顆功率的LED發光的光通量，以達到同樣照度時而減少發光二極管的數量，當然會犧牲部分光效，如果從目前正向電流 350mA的增到甲時，光通量可增加4〜5倍，成本將大幅度下降。當然還要解決結溫耐熱性，封裝材料耐熱性及散熱等新問題。

其四，降低開啟電壓變頻：目前氮化鎵開啟電壓的典型值為 3.3V的室顫，國外正在研發降低室顫值，如果達為 2.8V之內，當輸入功率降低時可獲得同樣的光通量（光效），即能效提高，節約成本。

（2）發光二極管封裝

改進 LED的封裝工藝，採用新結構，新材料，新工藝，提高LED的封裝成品率，降低LED的封裝成本，是封裝企業始終努力的目標。現另介紹一些降低封裝成本的辦法。

其一，封裝材料與芯片分開，製作封裝材料透鏡，熒光粉薄膜等，與芯片隔開進行封裝，此方法工藝簡單，散熱較好，產品性能的穩定性，均勻性較好，可提高封裝器件的可靠性，而且封裝的成本也較低，是器件封裝的主要方向之一。

其二，採用芯封裝形式，即發光二極管多芯片集成封裝。有報導稱，採用芯封裝，可降低封裝成本30％，但要解決好封裝的出光效率和散熱問題。

（3）的LED燈具

LED的燈具包含散熱體的成本佔的LED照明產品的比例也是較高的，為降低燈具成本，可以從二方面考慮。

其一，燈具含散熱體的設計合理，減少材料浪費。選用合適的材料，既有較好的機械性能和散熱性能，又要合理的性價比。

其二，模塊化燈具，LED的芯片即將，驅動電源和散熱體等封裝在一起成模塊單元，進行標準化生產。根據不同燈具要求，可採用模塊單元組合裝配。這種模塊化裝配方式可極大地降低製造成本。但要解決好能效和散熱的新問題。

要使LED的光源全面進入照明領域，目前急需解決的是LED的照明燈具系統可靠性和降低成本的二大問題。通過上述分析，從 LED的燈具各組成的環節部分，即外延芯片，器件封裝，驅動電源，散熱，燈具等來看，必須分別進行可靠性設計，試驗，各自達到可靠性指標，才能保障系統可靠性，使LED的燈具壽命達 3.5萬小時。在降低成本方面，認真做好提高成品率，規模化生產的同時，重點在技術創新，特別在外延芯片，器件封裝，燈具設計上要不斷改進創新，使LED的燈具成本能大幅度降低，並於 2015年之前，實現 LED的照明燈具銷售價在15元/荷航之內。
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