LED加速寿命和可靠性试验

精品文档 1欢迎下载 LEDLED 加速寿命和可靠性试验加速寿命和可靠性试验 摘要 LED 的寿命和可靠性得到了业界的高度重视 但其试验方法极具挑战 目前已 有关于 LED 寿命试验的标准相继出台 然而不同区域的标准要求又有所不同 本文分析了 LED 可靠性和寿命相关的关键指标 并以北美体系和国际电工委员会 IEC 体系为主线 介 绍了 LED 加速寿命的试验方法 同时还介绍具有我国自主知识产权的 LED 加速老化和寿命 测试系统能够满足现有各种标准要求 实现方便 快速 精准的智能化试验 1 1 概述概述 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 2 LEDLED 可靠性和寿命相关的关键指标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 LEDLED 的缓变退化的缓变退化 失效失效 指标主要包括 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 精品文档 2欢迎下载 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 u v 0 007 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 3 相关标准要求相关标准要求 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 Packages IEC PAS 62717 LED modules for general lighting Performance requirements 精品文档 3欢迎下载 EC 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 3 北美体系和北美体系和 IECIEC 系统对系统对 LEDLED 寿命和寿命试验方法的要求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 13 1 北美体系北美体系 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 表表 1 1 美国 美国 EnergyEnergy Star Star 能源之星能源之星 对对 LEDLED 灯具寿命的要求灯具寿命的要求 精品文档 4欢迎下载 现对现对 LM 80LM 80 和和 TM 21TM 21 两个标准的要求总结如下 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 精品文档 5欢迎下载 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 23 2 IECIEC 体系体系 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 精品文档 6欢迎下载 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 表表 2 2 IECIEC 体系对体系对 LEDLED 模块和灯具的光通维持率测试要求模块和灯具的光通维持率测试要求 4 4 加速老化和寿命测试系统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 25 1 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 精品文档 7欢迎下载 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 图图 1 1 我国的 我国的 LEDLED 加速老化和寿命测试系统照片加速老化和寿命测试系统照片 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 11 2 以及关于 CFL 3 的国内外标准的要求 精品文档 8欢迎下载 图图 2 2 典型典型 LEDLED 光通量随环境温度变化曲线光通量随环境温度变化曲线 5 5 小结小结 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 使我国工业界能够进行操作简便 高精度 低成本的光通维持寿命检测 同时该 系统还可测试光色参数随环境温度变化的曲线 满足最新国际标准要求即发展趋势 此外 我国在 LED 的热电光综合分析系统和电磁兼容测试等方面也取得了诸多突破 建立了 LED 可靠性预测机制及 BP Back Propagation 神经网络模型 4 为更全面地考察 LED 的寿命和 可靠性提供了技术支持和装备保障 参考文献 1 H Shen J Pan H Feng Accelerated life test for high power white LED based on spectroradiometric measurement SPIE Photonics Asia 2007 Beijing 2007 精品文档 9欢迎下载 2 IES Approved Method for the Characterization of LED Light Engines and LED Lamps for Electrical and Photometric Properties as a Function of