led加速寿命和可靠性试验

LED 加速寿命和可靠性试验时间：2012-05-09 15:28:39 来源：浙江省半导体照明测试 作者：沈海平 1. 概述随着近年来 LED 光效的不断提升，LED 的寿命和可靠性越来越受到业界的重视，它是 LED产品最重要的性能之一。寿命是可靠性的终极表现，然而 LED 的理论寿命很长，像传统光源采用2h45min 开、15min 关的循环测试到寿命终了，对 LED 产品的测量显然不现实。因此有必要对LED 产品采用加速老化寿命试验1，同时，也应当测试 LED 的热学特性、环境耐候性、电磁兼容抗扰度等与寿命和可靠性密切相关的性能，以综合分析 LED 的寿命。2. LED 可靠性和寿命相关的关键指标LED 产品制造中的每一个元件和环节都会对其可靠性和寿命产生影响，例如，LED 结和基板的虚焊、LED 荧光粉的热猝灭和退化、封装材料的退化以及驱动器的失效等，最后退化的可能才是半导体(PN 结)本身。这些因素导致 LED 产品失效( 退化)的方式也不尽相同，一般可分为缓变退化(gradual degradation)和瞬变退化 (abrupt degradation)。LED 的缓变退化( 失效)指标主要包括：流明维持率下降，即光衰，一般以初始光通量为 100%，当 LED 产品的流明维持率下降到初始值的 70%或 50%时，认为 LED 失效，流明维持寿命相应记为 L50 或 L70;颜色漂移，受到荧光粉或封装材料的变化，LED 的颜色会在寿命期间内发生漂移，该漂移应在指定范围以内( 如uv0.007) ，超过范围则视为 LED 失效 ;电性能变化，电性能变化能更为直观地监测;开关次数，开关可能会对驱动等电路产生一定影响;热阻变化和其它热特性参数曲线，热特性与寿命息息相关，对热特性的测量和分析有助于找出LED 可靠性的薄弱环节;LED 的瞬变退化(失效) 即 LED 的光输出突然降为 0，其主要退化包括：抗电磁干扰能力：静电放电、雷击浪涌、快速群脉冲、周波跌落;高低温冲击耐受性特性;盐雾、耐湿、振动等。3. 相关标准要求针对 LED 的主要缓变退化，国际上已有相关标准相继发布，以是北美体系和国际照明委员会(IEC)体系最为典型，我国标准则基本融合了这两个体系。ENERGY STAR? Program Requirements Product Specification Eligibility Criteria ;IES LM-80-08 Approved Method for Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources;IES TM-21-11 Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED PackagesIEC/PAS 62717 LED modules for general lighting Performance requirementsEC/PAS 62722-2-1 Luminaire Performance Part 2-1: Particular requirements for LED luminaires我国的 GB/T 24824、GB/T24823、QB/T4057 等我国的 GB/T XXXX LED 加速寿命试验方法 (尚未发布)3. 北美体系和 IEC 系统对 LED 寿命和寿命试验方法的要求北美体系和 IEC 系统在对 LED 产品的寿命要求和试验方法方面都有所区别，但针对于 LED灯具寿命的评估，二者都提出直接老化测试灯具，或根据封装 LED、LED 模块等的老化试验进行推算。3.1 北美体系如表 1 所示，Energy Star 将对 LED 灯具寿命的试验方法分为选项 1 和选项 2，其中，选项 1是通过测试光源推导灯具的寿命; 而选项 2 仅适用于光源和灯具不可分的一体化灯具，直接测试灯具的光通维持率。选项 1，L70(6k)的表示是指，利用 6000h(6K)的老化测试推导出的流明维持寿命L70 的时间。表 1：美国“Energy Star(能源之星)”对 LED 灯具寿命的要求现对 LM-80 和 TM-21 两个标准的要求总结如下：适用范围：LED 封装、模块、阵列等;考察对象：只考察光通维持寿命，即缓变失效因素老化温度：指定点壳温(Ts)为 55，85和第三个指定温度，三个温度覆盖灯具中 LED 光源的 Ts 温度。老化时间：6000h，推荐 10000h;样本数量要求及其与外推寿命时间的关系：20 个以上样品，外推寿命最高为老化时间的 6 倍;10-19 个，外推寿命最高为老化时间的 5.5 倍;光色参数测试时间：至少每 1000h 测量一次;对突然失效的处理：观察记录，调查确认突然失效是因为光源本身原因;记录颜色衰变：有;数据记录：每个 LED 的光通维持、中间值、标准偏差、最小和最大光通维持率值;曲线拟合：1. 以初始值为 1，归一化光通维持率;2. 在每个测量点，求得测试样品归一值的平均值;3. 数据要求：不采用小于 1000h 内的测量数据;老化 6000h-10000h，至少用 5000h 的数据;大于 10000h，用最后 50%的数据。外推计算：推荐指数模型。3.2 IEC 体系IEC 体系中用 Lx Fy 来表征 LED 产品的寿命，其中，Lx 表示光通量维持率，如 L70;Fy 表示失效率，包括缓变失效率 By 和瞬变失效率 Cy。例如：L70F50 为 30000h 是指：50% 的模块在30000h 后的光通维持率在 70%以下。对于普通照明用的白光 LED 产品，IEC 并不强调对声称的寿命进行验证，而是对限定时间的流明维持率进行分级。IEC 中对 LED 模块和灯具的光通维持率测试如表 2 所示。特别注意的是 IEC 体系中，LED模块或灯具的瞬变失效和缓变失效是要在最终的 Fy 指标上体现出来的。对于一组 LED 模块，按试验样品 20 个计算，若声称 F50，则至少 n-2 个模块通过; 若声称 F10，则 n 个模块全部通过试验。老化试验中的温度也特别值得关注。LED 模块老化应在外壳指定点为 Tp 温度下老化，相当于北美体系中的 Ts;而灯具则在环境温度 Tq 下考察其性能，并且应确保在声称的 Tq max 下， 模块温度 Tp 不会超过。4. 加速老化和寿命测试系统对于加速老化和寿命的测试，无论采用北美体系或 IEC 体系，其硬件测量装置基本相同，一般主要包括恒温试验箱、多路电源、多路温度巡检仪等。目前国内外对于 LED 加速老化和寿命测试系统的研制也十分关注。由于 LED 光源或灯具的光色性能需在室温(251) 条件下测量，因此国外典型设备一般需要和积分球光谱仪系统结合起来，在 LED 老化到一定时间后冷却恒温箱内温度，并将被测 LED 取出到积分球系统中进行光色测量。该操作过程很繁琐，若测试间隔时间较短，则整个老化测试十分费时费力，而当测试间隔较长是，则不能及时反映 LED 光色参数的变化过程，被测LED 的失效时间的记录误差较大。在我国 863 计划课题的支持下，杭州远方光电通过自主创新，开发了即加速老化和光色测试于一体的测试系统，如图 1 所示为系统照片。系统具备 90 个功位，可分三温区同时老化测试 90 个被测 LED(30 个3) ，其结构主要特点是在恒温箱中设置光信号取样装置，并与光色测量设备相连，被测 LED 的光色参数可在箱内直接而不需要取出测量，可全自动实现老化测试以及数据分析。使得原本漫长而繁复的 LED 老化、寿命试验和温度试验变得十分的简单与轻松，数据更为精确可靠。设备含有多项远方公司独有的专利技术，整个设备设计整体性好，美观大方，无论是使用者还是评估者，无论是内在还是外观，都会让人信服。利用上述测量装置，还可在不同的环境温度下(高温状态)，测量被测 LED 的光色度，获得LED 光度- 环境温度曲线(温度特性试验 )。图 2 为典型的 LED 相对光通量随环境温度的变化曲线，满足 IES LM-82-112以及关于 CFL3的国内外标准的要求。5. 小结影响 LED 产品寿命和可靠性的因素有很多，相关的测试也较为复杂，其中最重要的是光通维持率测试，虽然已出台的国际标准要求不尽相同，但基本的试验方法和装置要求基本相同。在国家863 课题的支持下，我国已自主开发了具有高智能化的加速老化和寿命测试系统，使我国工业