LED光源光衰机制与寿命预测毕业论文.doc

LED光源光衰机制与寿命预测 摘要:在LED可靠性影响参数中，寿命是最具代表性的参数。但是影响LED寿命的因数众多且复杂，每个因数对其影响程度都各不相同.如果按照传统光源寿命测试的方法，那么周期太长跟不上LED更新的速度。而目前大多数采用LED加速寿命试验即通过加大应力的实验来估计LED光源的寿命，这类试验通常是升高LED所在的环境温度或者加大通过LED自身的电流，最后通过采集的数据并分析来预测LED光源的寿命，但是并没有直接的理论基础来证明应力大小与LED光源寿命的具体等量关系,因此通过加速应力测出的LED光源寿命的准确性是有待考证的。通过分析LED寿命的变化是一种渐变的化学反应，符合阿伦尼乌斯模型，LED寿命的减弱是通过光通量的变化来表现出来的即光衰，为此我们可以在正常工作情况下对LED的光衰机制与规律分析，通过光衰的原因与变化来预测LED的寿命，从而是实现LED的寿命预测。关键字：LED;光通量;光衰;寿命测试Light fades and life prediction of LED light source Abstract:The life is the most representative parameter in the parameters of LED reliability. But the impact factor of the LED lifetime are numerous and complicated, each factor of the influence degree of each are not identical. If according to the traditional light source life test method, then the cycle is too long to not led update speed. And the majority of the LED accelerated life test by means of increasing the should force experiments to estimate the life of the LED light source, this kind of test is usually elevated led where the ambient temperature or increasing the current through the LED itself. Finally, through the acquisition of data and analysis to predict the service life of LED light source, but did not direct theoretical foundation to justify force and the service life of LED light source specific equivalent relation. Therefore, the accuracy of accelerated stress measured the service life of LED light source is yet to be verified. Through the analysis of the change of the life of LED is a gradient of chemical reaction, with the Arrhenius model, led the life of the weakening is through changes in the flux to the lumen, and for that we can under the normal working condition analysis of LED light attenuation mechanism and rules, the prediction from but realize life led to predict led by degradation of cause and the change of life.Keywords:LED;luminous flux;light fades; life test0 引言 LED具有节能高效的特点受到人们的广泛关注。但是早起的LED产品光衰1比较严重，导致人们对LED的寿命长的特点产生了质疑，从而影响了LED的推广。近年，虽然LED在发光强度、发光效率、寿命等方面都得到了极大的提高，但是LED厂家在LED寿命方面依然只是给出了一个模糊的概念，理论上认为LED的寿命可长达。如果在正常情况下测量LED的寿命，那么时间周期太长，当测出LED寿命时，该产品可能早已被淘汰。所以现在急需一种能快速而且能准确测量LED寿命的方法2。1 LED寿命的定义与测试标准 电子产品的“寿命”是指从它的电学特性形成到消失的时间。理论上，LED的寿命是指LED形成到彻底不发光所点亮的时间。LED在其电能和热能的环境中点亮，LED内部的材料会最终衰变老化直至失效3。但实际上，当LED工作一段时间后就不能满足实际光照要求，这主要是通过光通量来体现的。光通量是光源在单位时间内发出的光亮，也即为辐射通量能够被人眼视觉系统所感受到的那部分有效能量。LED厂商定义LED的寿命是当光输出降 到70%时所用的时间（部分人定义为50%）即光通量下降到初始光通量的70%时所用的时间4。2 LED光源光衰机制 加速寿命试验是目前最广泛应用的预测LED寿命的方法。这主要是通过加大应力包括LED工作的电流，温度等来加速LED的衰变，从而加速LED的寿命。LED在大电流高温度条件下工作会加速老化，这主要是体现在构成LED材料的老化。由于材料的老化衰变，会使LED的光通量产生的快速衰减，通过这种快速衰变的现象建立合适的模型来预测LED的寿命。但是所加的外部条件不能到达使LED损坏的程度。可是并没有直接的理论来证明加速应力与LED光源寿命确切的等量关系以及加大不同的应力对应的LED光源寿命衰变又会有怎样的多少不同程度的影响。这种情况只能测试LED在极端情况下的性能，对于LED寿命预测并不准确。所以要知道LED寿命最正确的方法就是按照传统光源寿命测试的方法，在正常情况下使LED工作到LED寿命终止，但是由于LED光源具有长寿的特点，这种方法在实际中显然不可行。那么我们能不能在正常情况下研究LED光源寿命的变化，从它在正常情况下寿命渐变的规律中来预测LED光源的寿命，相比较加速试验来预测LED的寿命，这种预测显然准确性、可靠性更高。我们知道LED寿命衰变的直接表现就是光通量的减少即光衰，LED光衰是指LED通电一段时间后，光通量会有所下降，这种下降的情况就是LED的光衰。光衰一般用光通量下降的部分与光通量初始值的比值来表示。比如N小时的光衰=N小时时下降的光通量/初始光通量。 普通LED的组成材料主要是荧光粉、芯片、有机材料5-6。因此LED光衰的主要原因也只能是来自这些材料的衰变。 由荧光粉的量的多少以及种类的不同对LED光衰的影响实验中7，了解到荧光粉会对LED的光衰产生影响，主要体现在荧光粉性能的退化能引起LED光衰。LED工作时能产生高温，在这种环境下，荧光粉能发生化学变化导致结构变化，最终引起LED光衰。因此认为荧光粉对LED光衰的影响是主要原因之一。 对于芯片根据半导体物理理论，造成光衰的原因与半导体材料的退化有关。从未封装以及各种不同材料封装的单纯蓝光芯片的寿命和光衰实验8可知，其寿命高达数十万小时，而实际中LED的寿命远远小于这个时间，这说明芯片材料退化不是影响光衰的主要原因。 通过日常经验了解到不同有机材料在相同条件下的光衰是不一样的，说明有机材料能造成LED的光衰。有机材料具有大分子结构，在LED工作时会产生高温，在这种高温环境下邮寄材料的分子结构会发生变化，这种变化会使得有机材料的特性发生变化，最后会完全失效9-10。另外，因为荧光粉一般混合在封装胶中，封装胶退化过程会分离出一些活跃的元素，这些元素加入荧光粉的晶格结构也会导致荧光粉退化。所以有机材料是造成LED光衰的主要原因11。 综上所述，LED的光衰主要是其组成材料功能退化引起的12。而引起材料退化的主要因素就是温度，所以可以认为温度就是影响LED寿命的主要外在原因，这也符合近年LED厂商大规模研究LED的散热来延长LED的寿命。3 LED寿命测试模型诺贝尔获得者阿伦尼乌斯通过对电离现象的研究，得出了阿伦尼乌斯定律13即在环境条件不变的情况下，化学反应速率可以认为是一个常数，并导出了化学反应速率与温度的关系。该模型主要反映了电子元器件的温度和寿命之间的关系。这种关系本质上为化学变化的过程,方程表达式为： （1）M为特性值的退化如LED的光衰,表示温度V(热力学温度)时的退化速率,k为波尔兹曼常数,V为绝对温度,为常数,t为反应时间,为激活能量。阿伦尼乌斯认为,对于某种确定反应,或者说对应于某失效机制来说,激活能是不随温度变化的常数,这就保证了寿命试验的可行性。对于某种确定反应,激活能量是不随温度变化的常数。 由前文知LED光源的光衰机理是其封装组成材料功能的退化是一个渐变的过程，而实际中的LED的寿命一般也高达数万小时，说明这个退化过程符合阿伦尼斯模型。所以试验处理过程中应用阿伦尼斯模型14-15。LED寿命衰变是通过光输出特性的变化来表现的即光衰来显示的。由公式（1）可知，光衰特性值的退化速率在工作环境不变的情况下是一个常数，也就是说LED光通量的变化，在任何一个时间点的衰减速度大致是一样的，例如LED第一周的光通量衰减为，那么第二周也大致为是在第一周的基础上再衰减，以后每周都会在上一周的基础上衰减。光衰是LED寿命减弱的主要表现，那么我们可以通过对LED光衰的分析来研究LED的寿命16-17。光衰是通过LED光通量的减少来表现的，假设光通量随时间的变化函数为，根据实验数据和日常生活观察可知,这个函数应该具有以下性质：（假设在条件一定的情况下）1、 在是连续的，即光通量不可能发生跃变；2、 0,即函数是单调递减的，光通量不可能增加即；3、 初始光通量为，最终光通量为0，即，；根据LED的寿命定义知LED的寿命T满足以下关系: （2） 通过上面的分析就可以来构建LED光衰的数学模型，假设在时间点t时刻的光通量为,时间点t+时刻的光通量为,根据阿伦尼乌斯定律，光衰对时间的衰减速率为常数，则有下列关系成立： （3）式中K为一个负值。当很小时，即趋于0时对等式两边取极限，则有 （4）所以有： （5） （6） 等式两边积分得： （7） （8） 式中为初始光通量。可以验证所求出的光通量表达式满足光通量函数的三条性质。 LED的寿命为光通量衰减到初始值的0.7倍时所经历的时间，因此寿命T满足以下关系： （9） （10） 所以只要求出K即可以算出LED的寿命。4 LED寿命测试平台实验仪器、设备：光电综合测试系统(中为光电ZWL-100，积分球直径0.3m）；1w白光LED，PC机。测量系统如下图：将规格相同且是统一批次的30只lw白光LED分为3组，每10只为一组，在相同情况（应力都为额定应力）测试并记录30只LED光通量的变化。并将每组测试光通量最大最小的两只LED去掉，将剩余的LED光通量求平均值记录如下表：时间（h）1组LED光通量（mlm）2组LED光通量（mlm）3组LED光通量（mlm）0 27022 26587 27208100 26950 26430 27189200 26898 26412 27153300 26870 26383 27160400 26882 26357 27134500 26824 26258 27094600 26835 26247 27058 由以上数据可以看出，1w白光LED光通量随着时间的推移整体呈现下降趋势，但是下降趋势不明显，这也符合LED长寿命的特点，也说明了LED有光衰存在寿命不可能无限长。如果LED的光通量规律满足公式（10），利用Excel可以很快求出式（10）中的K值并绘制出光通量的拟合曲线以及求出方程式。 对1组LED选择时间和1组LED光通量数据后插入图表，选择图表类型为“x-y散点图”，散点图生成后，选择“添加趋势线”，在“趋势预测/回归分析类型”选择类型为“指数”类型，将生成1组LED光通量数据趋势线，在选项一栏中选择“显示公式”和显示“R平方值”，则光通量变化曲线方程将生成。如下图所示： 图中蓝线是由采集的光通量绘制的曲线，黑线表示是由计算机计算得出的与光通量变化曲线最相近的指数曲线即拟合曲线。对于分析的结果，其中表示记录的光通量数据与拟合曲线的相关程度，的值接近于1说明拟合曲线方程与光通量的变化趋势吻合程度高，拟合曲线方程能近似代表光通量变化规律。所以对1组LED有：，(mlm)代入公式，则1组LED的寿命：(h)同理对2组和3组LED用相同的方法做线性回归分析如下图：对2组LED有：，(mlm)代入公式，2组LED的寿命:(h)对3组LED：，(mlm)代入公式，3组LED的寿命：(h)从各组LED的寿命分析可知，LED实际寿命一般可达h,由于外界和自身因素的影响，LED的寿命不可能达到它的理论寿命h18。5 结论LED有能效高、寿命长的特点，对于LED的寿命如果采用传统的测量方法，那么周期过长，很可能在测出某种LED的寿命时，该种LED可能早已被淘汰，而目前采用的加速LED寿命测试的方法18-19都是通过加大LED正常工作时的应力条件，通过试验、分析、观察以及间接的理论来预测LED光源的寿命，没有直接的理论支撑也不能准确的还原LED寿命的渐变过程。因为LED的寿命主要是由组成装材料决定的，LED寿命的衰变是由组成材料的退变引起的，而组成材料的退变是一个漫长的退化过程，因此LED寿命的减弱符合阿伦尼乌斯模型，所以在正常情况下通过对LED光输出特性即光衰建立阿伦尼乌斯模型，对LED光衰变化趋势的研究来估计LED的寿命。这种在正常情况下的试验准确的反应了LED寿命的渐变过程，也能了解最正确的LED寿命的变化，预测的结果较加速应力LED寿命测试更直观也更准确。由于外界和自身因素的影响，LED的实际寿命通常比理论寿命要低得多20。最后通过对LED光通量变化的研究大大缩短了传统方法对LED寿命测量的时间，在今后LED寿命估算中不失为一个快捷准确的方法。 参考文献1 刘行,仁薛胜.白光LED现状和问题J.光源与照明， 2003,(3):4-8.2 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