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LED器件和灯具的寿命分析 钟群博士CenturyEpitechCo LTD 世纪晶源科技有限公司 如何理解LED照明的寿命 同LED器件 电源 以及所有配件的寿命有关寿命同可靠性有关 或者说同上述所有零部件的失效有关 R t 1 P t R t 可靠性几率P t 失效几率t 时间 平均失效时间MTTF MTTF MeanTimeToFailure可靠性几率同失效率 成指数关系R t exp t MTTF和失效率成反比MTTF 1 寿命同MTTF成正比关系 和失效率成反比关系 实例分析 LuxeonLED器件的MTTF可达108devicehrs 单个器件使用10000小时的可靠性几率 R t exp 10000 108 exp 10 4 99 99 失效几率P t 1 R t 0 01 or100ppm 传统照明工业的寿命标准 B 寿命是指多少比例的产品毁坏性失效 比如开路 短路 不亮等 LED的B 寿命的理解 同B 寿命相关的失效机理是CatastrophicFailure 崩溃失效 LED的崩溃失效有 开路或短路灭光 或非正常的急剧光衰 一般来说 如果以上述彻底毁坏的因素来定义LED器件的B 寿命 则LED器件的寿命非常长 即使B 10都能超过10万小时 事实上 LED器件的B 10寿命必须同L 寿命结合起来考虑 LED的L 寿命的理解 同L 寿命相关的机理是光衰 或者反过来说 光维持 LED的正常情形 非失效原因 的光衰同下述原因有关 芯片结构LED芯片PN结温工作电流根据美国ASSIST AllianceforSolid stateIlluminationSystemsTechnologies 的建议 L 寿命以LED光通下降到初始70 为界限 记为L 70 当然在某些特殊应用上可以改变 比如许多灯具连成一片的照明工程可以采用L 80 装饰性灯光工程可以采用L 50 LED的L 寿命同LED PN结温有关 温度让材料中的原子互相扩散 破坏了LEDPN结界面的陡性 因此发光效率降低 LED的L 寿命同工作电流有关 工作电流的影响同芯片的结构有关 LED器件寿命 同芯片和封装的关系 LED寿命本质上是指芯片的寿命 在老化测试中 最先1000小时被认为是无效的 L 寿命 同LEDPN结温的关系 L 寿命同LED结温的关系采用Arrhenius模型 Lifetime exp Ea kTj 其中 Ea 活化能 单位是电子伏特 eV k Boltzman常数 8 617x10 5eV K Tj 结温 绝对温度对于半导体材料来说 历史上Ea活化能定为0 43eV 但是对于AlGaInP和InGaN这些LED材料来说 0 43eV已不合适 而且不同厂家生产的LED材料的Ea都不相同 一般来说 Ea越大 则LED在低结温下寿命更长 活化能对L 寿命的影响 现在市场上的LED灯具一般结温控制在65 95 即338 368K Log t2 t1 Ea K 1 T1 1 T2 Ea K 1 338 1 368 推导结果 t2 t1 exp 2 8Ea Ea对于AlGaInP和InGaN材料来说到底是多少 结温的推算 热阻定义 结温的推算 热阻模型同电阻计算完全一致 结温的推算 热阻模型 单一材料热阻计算 一般材料的导热系数 W mK 热阻计算公式 其中 代表导热系数L 代表导热距离A 代表导热截面积 结温的推算 结温计算 如果一个LED器件或LED灯具的从芯片PN结到环境的热阻是已知的 而且功率是已知的 则结温可以通过上述公式知道 TA代表所测点的温度 不一定是环境温度 可以是任何一个容易测到而且温度能达到平衡的点 LED器件寿命的测试 TMP TMP 温度测量点散热铜柱 Slug 上的温度贴片LED的引脚上 SolderingPoint 的温度封装底座上的温度 Substrate 上的温度LED模组上MCPCB 金属基PCB 的温度电源外壳温度电源基座温度 TMP的测试示意图 LED器件的寿命 测试6000小时 美国新出台的IESNALM80 08标准约定6000小时的老化测试时间 L公司LED器件的寿命测试案例1 电流很大 结温也高达125 光衰很少 后面的走向很难确定 L公司LED器件的寿命测试案例2 白光LED相较于前者蓝光LED测试条件要宽松得多 L公司LED器件的寿命测试案例3 AlGaInPLED能承受的温度和电流远小于InGaNLED 这些测试数据用来推测未来10万小时的LED寿命相当地不确定 LED器件寿命曲线的模拟和推导 WeibullDistribution 其中 是无量纲 修正曲线的形状 是失效率 t是时间 大功率LED寿命测试和测算1 光输出在短时间里先下降 然后稳定下来 是常见现象 大功率LED寿命测试和测算2 光输出在短时间里有波动 然后稳定下来 也是正常现象 大功率LED寿命测试和测算3 这种光输出的衰减比较理想 大功率LED寿命测试和测算4 薄膜型结构的LED芯片受电流的影响非常大 同前面的正常结构的芯片完全不一样 O 公司普通结构大功率LED的寿命 对于普通结构的LED来说 电流的不同影响的是结温 O 公司ThinFilm结构大功率LED的寿命 ThinFilm结构大功率LED的寿命受电流影响很大 对于1WLED来说 当电流小于0 4A 结温即使高达120 其寿命都可以达到10万小时以上 当电流到0 7A时 只要结温低于115 就可以有10万小时的寿命 O 公司ThinFilm结构超大功率LED的寿命 同前面一样 ThinFilm结构大功率LED的寿命受电流影响很大 但是对于这个芯片尺寸特别大的超大功率LED来说 为了保证10万小时的寿命 只要当工作电流提高时 相应地降低结温便可 降低结温可以通过在灯具设计中增加散热管理 L 公司某种InGaN大功率LED的寿命 B50和B10相比 350mA下可承受结温高达150 以上 L 公司某种AlGaInP大功率LED的寿命 B50和B10相比 对于AlGaInPLED来说 承受的电流和结温都相对低 而且电流对结温的影响很大 芯片热阻大 L 公司某种InGaN大功率LED的寿命 B50和B10相比 以结温做指标 L 公司某种InGaN大功率LED的寿命 B10 以封装基座作指标 同上表相差约10 L 公司某种AlGaInP大功率LED的寿命 B50 结温和封装基座温度的比较 L 公司某种AlGaInP大功率LED的寿命 B10 结温和封装基座温度的比较 LED灯具的寿命 系统概念 LED灯具成为一个系统 其可靠性几率同所有配件和性能的失效率的加和有关 从上述公式中可以看出 如果某一因素的寿命特别短 或者失效率特别高 寿命和失效率成反比 则系统可靠性只同这个因素有关 影响LED灯具L 寿命的因素 LED芯片的寿命LED封装材料对光和热的抵抗性LED