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隨著LED技術(shù)的快速發(fā)展，LED在照明領(lǐng)域的各個(gè)方面應(yīng)用也越來越廣泛，并逐漸開始占據(jù)照明市場的主導(dǎo)地位。
LED作為新型照明光源，在很多方面具有傳統(tǒng)光源所無法比擬的優(yōu)勢。但是，它在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在一些問題而導(dǎo)致它沒有達(dá)到其理論上的使用壽命和光度參數(shù)上的要求。因此，如果不能實(shí)現(xiàn)高可靠性、長壽命的LED光源，即使光效再好，高昂的維護(hù)成本必然限制其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。白熾燈的額定壽命一般是1000小時(shí)，熒光燈的平均壽命是10000小時(shí)，而根據(jù)美國照明研究中心(LRC)Narendran等人對(duì)白光LED進(jìn)行的壽命實(shí)驗(yàn)，LED的壽命可以達(dá)到10萬小時(shí)。
一、LED燈具可靠性檢測的重要性
照明LED商業(yè)化到現(xiàn)在還不足15年，技術(shù)仍在不斷發(fā)展和完善。而各生產(chǎn)廠商在外延到芯片到封裝技術(shù)水平上也相差較大，同一廠商生產(chǎn)的不同批次LED質(zhì)量也參差不齊。再加上應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以及使用方法的差別，照明LED的壽命完全達(dá)不到理論上的10萬小時(shí)。因此，提高LED的可靠性是LED研究的重中之重。而對(duì)LED可靠性的研究是提高其可靠性和使用壽命的前提和基礎(chǔ)。對(duì)LED的可靠性的研究不僅能從根源上對(duì)LED的失效機(jī)理進(jìn)行分析，進(jìn)而從設(shè)計(jì)、工藝以及使用等方面提出改進(jìn)方案，而且可對(duì)LED照明產(chǎn)品的可靠性提供全面的評(píng)估，為LED早期失效篩選及產(chǎn)品質(zhì)量管理提供依據(jù)，因此，LED可靠性的研究無論對(duì)于LED科研還是LED產(chǎn)業(yè)都具有非常重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。
美國能源部(DOE)固態(tài)照明2010年技術(shù)路線也將LED照明產(chǎn)品的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)的相關(guān)評(píng)價(jià)與測試技術(shù)作為最近幾年的重要研究方向，并獲得美國研究機(jī)構(gòu)的支持?？其J、飛利浦等照明巨頭也投入巨大人力、物力進(jìn)行LED可靠性方面的研究。我國工信部、科技部、國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(CSA)、廣東省科技廳近年來也投入許多資金加大對(duì)LED照明產(chǎn)品可靠性方面的支持和研究。許多高校、研究機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟都提出計(jì)劃準(zhǔn)備制定LED可靠性和加速壽命試驗(yàn)方面的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于缺少可靠的研究成果，目前各類檢測和認(rèn)證在評(píng)估LED燈具壽命時(shí)都仍然按LED燈具在正常工作狀態(tài)燃點(diǎn)，然后測量光衰的辦法。
二、LED燈具可靠性和壽命檢測的現(xiàn)狀
按照國家標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)熒光燈和節(jié)能燈的性能測試方法都要測試2000h光衰和6000h壽命。目前CQC的LED照明產(chǎn)品節(jié)能認(rèn)證是測量3000h、6000h和10000h光衰來評(píng)判LED燈具的壽命；而美國的能源之星對(duì)LED照明產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證時(shí)，光衰減測試的最低要求是6000小時(shí)。這些測試方法雖然能檢測出樣品的實(shí)際壽命情況，但是測試時(shí)間太長，測試費(fèi)用也過高，完全不能滿足市場的需求。因?yàn)橛袆e于傳統(tǒng)燈具技術(shù)比較成熟和穩(wěn)定，LED技術(shù)發(fā)展迅速，每隔半年產(chǎn)品用的芯片和產(chǎn)品外形都有很大的變化，等到6000小時(shí)的光衰試驗(yàn)做完，這個(gè)產(chǎn)品可能已經(jīng)被市場淘汰，因此我們必須找到更快速和更科學(xué)的LED燈具可靠性檢測方法。
如果把LED燈具看作一個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)可靠性檢測我們可以把它分為三個(gè)子系統(tǒng)，分別是光源模塊(模組)子系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電源子系統(tǒng)和接口子系統(tǒng)。筆者認(rèn)為，目前某些研究機(jī)構(gòu)提出把整體燈具進(jìn)行壽命加速試驗(yàn)然后來預(yù)測壽命這個(gè)方法不太妥當(dāng)。不同系統(tǒng)的失效原理和加速原理都差異巨大，得出來的數(shù)據(jù)并不可靠。所以，應(yīng)該按照不同子系統(tǒng)來分開對(duì)待。LED燈具的驅(qū)動(dòng)電源子系統(tǒng)無論和傳統(tǒng)燈具的控制裝置比較，還是和目前市場上的其余電子產(chǎn)品的電源比較，技術(shù)難度并不算高，對(duì)光源可靠性的影響也沒有傳統(tǒng)燈具控制器那么大，所以按照目前的LED控制裝置的國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格測試就基本可以保證它的可靠性。接口子系統(tǒng)通過振動(dòng)和接口插拔等試驗(yàn)也可以保證它的可靠性，關(guān)鍵需要研究的是LED光源模塊子系統(tǒng)。
三、LED光源模塊的失效原因
LED光源模塊一般由基板、芯片、封裝材料(包括熒光粉)、透鏡組成，某些模塊還包括散熱裝置和導(dǎo)熱硅膠，現(xiàn)在流行的封裝方式有DOB和COB。因?yàn)長ED光源模塊設(shè)計(jì)的多樣性和組成的復(fù)雜性，所以造成失效的原因也非常多，一般包括以下幾點(diǎn)：
1.封裝材料退化
LED在日常生活使用的過程中，長時(shí)間的工作會(huì)讓LED的藍(lán)光與GaN系統(tǒng)中的帶間輻射復(fù)合所產(chǎn)生的紫外線的輻射和溫度升高而引致LED的外表封裝材料(如環(huán)氧樹脂)內(nèi)的許多聚合物的光學(xué)透明度的大輻度下降，從而引起了LED的出光效率的下降。
對(duì)于這個(gè)封裝材料的退化會(huì)引起LED的出光效率降低的這個(gè)問題，D.L.Barton等人曾做過研究試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)LED的環(huán)境溫度為95℃、驅(qū)動(dòng)電流大于40mA時(shí)，LED的pn結(jié)溫度超過145℃，這個(gè)溫度是讓封裝材料達(dá)到了變色的臨界狀態(tài)。如果在大電流的條件下，封裝材料甚至?xí)霈F(xiàn)碳化，從而在器件的表面生成一種不透明物質(zhì)或形成導(dǎo)電通道，致使器件失效。
2.污染物焊接
LED的污染物焊接是指LED在封裝過程中，LED芯片的電極被液滴、油污、纖維、粉塵等物質(zhì)所覆蓋污染，導(dǎo)致LED的焊點(diǎn)部分或全部接觸不良而形成的缺陷，這是危害最大的LED焊接缺陷。
據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)污染物覆蓋了整個(gè)焊點(diǎn)時(shí)，在焊接處會(huì)形成金屬—介質(zhì)—金屬結(jié)構(gòu)，也稱為隧道結(jié)。而在器件發(fā)光的過程中，由于隧道結(jié)的存在，LED芯片的峰值波長的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)降低到正常時(shí)的60%。因此，對(duì)LED封裝焊接缺陷進(jìn)行可靠性檢測是十分必要的。
3.固晶底膠引起的失效
在白光LED行業(yè)中常用到的固晶膠有氧樹脂絕緣膠、硅樹脂絕緣膠、銀膠，而三者各有利弊，在選用時(shí)要綜合考慮。環(huán)氧樹脂：絕緣膠導(dǎo)熱性差，但亮度高；硅樹脂絕緣：膠導(dǎo)熱效果比環(huán)氧樹脂稍好，亮度高，但由于硅成分占一定比例，固晶片時(shí)旁邊殘留的硅樹脂與熒光膠里的環(huán)氧樹脂相結(jié)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生隔層現(xiàn)象，經(jīng)過冷熱沖擊后將產(chǎn)生剝離導(dǎo)致死燈；銀膠的導(dǎo)熱性比前兩者都好，可以延長LED芯片的壽命，但銀膠對(duì)光的吸收比較大，導(dǎo)致亮度低。對(duì)于雙電極藍(lán)光晶片在用銀膠固晶時(shí)對(duì)膠量的控制也很嚴(yán)格，否則容易產(chǎn)生短路，直接影響到產(chǎn)品的良品率。因此，對(duì)于不同類型的器件產(chǎn)品，要適當(dāng)?shù)剡x用不同的固晶底膠，這樣才能更好地降低由其引起的器件失效。
4.熒光粉失效
實(shí)現(xiàn)白光LED的途徑有多種，目前使用最普遍、最成熟的一種是通過LED芯片產(chǎn)生的藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉，所以熒光粉的材質(zhì)對(duì)白光LED的衰減影響很大。市場最主流的白光熒光粉是YAG鋁石榴石熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉。與藍(lán)光LED芯片相比，熒光粉的失效會(huì)導(dǎo)致LED的光衰加速，從而降低LED的壽命。實(shí)驗(yàn)表明熒光粉在溫度為80℃時(shí)，激發(fā)效率會(huì)降低2%，冷卻后又恢復(fù)，而這個(gè)很短時(shí)間的一個(gè)測試說明了LED溫度的升高會(huì)讓熒光粉的性能下降，而LED長時(shí)間工作在高溫下，會(huì)對(duì)熒光粉造成不可逆轉(zhuǎn)的衰退，還會(huì)普遍出現(xiàn)LED的波長藍(lán)移的問題。
所以，白光LED的光衰減甚至失亮的很大部分原因就是熱作用下熒光粉性能的快速衰減。因此，熒光粉自身的質(zhì)量對(duì)LED的正常發(fā)光壽命有著很重要的影響。
5.散熱問題引起的失效
LED是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，而LED芯片的表面面積較小，工作時(shí)電流密度大，且用于照明時(shí)往往要求多個(gè)LED組合而成。LED密集度大，導(dǎo)致芯片發(fā)熱密度高，而結(jié)溫上升會(huì)導(dǎo)致光輸出減少，芯片加快蛻化，縮短器件壽命。表1給出了幾種不同材料的熱導(dǎo)率。可以看出，目前在功率型LED的制備中，技術(shù)最為成熟、使用最多的藍(lán)寶石襯底的熱導(dǎo)率只有35～46W/(m×K)，不足Si材料的1/4。
如果要考慮到實(shí)際應(yīng)用中對(duì)色漂移的不良影響，熱設(shè)計(jì)也要對(duì)最高結(jié)溫進(jìn)行限制。由于LED芯片輸入功率的不斷提高，對(duì)這些功率型LED的封裝技術(shù)就提出了更高的要求，如今散熱問題已成為制約高功率LED發(fā)展的關(guān)鍵因素。
6.LEDGaN基外延材料缺陷引起的失效
由于沒有與GaN相配的襯底材料，目前在絕大部分的LED器件中的GaN薄膜中存在著大量的缺陷。GaN材料與目前主流襯底藍(lán)寶石的晶格常數(shù)的失配率為14%，而在藍(lán)寶石襯底上生長的GaN材料位錯(cuò)密度為108/cm3～1010/cm3。
在LED的制備過程中，材料的缺陷會(huì)對(duì)載流子有吸附作用，從而在有源層中形成無輻射的復(fù)合中心，增加了光的吸收，導(dǎo)致LED發(fā)光效率的下降；當(dāng)電流足夠大時(shí)，載流子才會(huì)發(fā)生輻射的復(fù)合，但這又會(huì)引起晶格振動(dòng)，晶格的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)加速缺陷的形成，造成LED異質(zhì)結(jié)的退化。器件中接觸的金屬電極在電應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下就會(huì)沿著錯(cuò)位遷移，從而形成低通歐姆阻道，這會(huì)引致器件光功率的下降和漏電流的增加。因此，提高外延材料的質(zhì)量，降低材料中的缺陷密度能有效提高LED器件的可靠性。
7.靜電損傷引起的失效
GaN材料具有3.39eV的寬禁帶，高電阻率。因此，GaN基LED芯片在其生產(chǎn)、運(yùn)送的過程中所產(chǎn)生的靜電電荷容易積累而產(chǎn)生高的靜電電壓。藍(lán)寶石襯底的GaN基LED器件的結(jié)構(gòu)對(duì)靜電的承受能力是很小的，極易被其產(chǎn)生的靜電擊穿。在無靜電保護(hù)的情況下，人體所產(chǎn)生的靜電容易將LED局部擊穿，LED器件被靜電擊穿后將造成永久性失效。
8.P型GaN歐姆接觸老化
Meneghesso等人在分析GaN的失效過程中，通過LED器件在退化前后的I-V特性，Meneghesso等人認(rèn)為這些變化是由于P-GaN透明導(dǎo)電膜與金屬導(dǎo)線電極的歐姆接觸在大電流和熱的影響下退化，導(dǎo)致串聯(lián)電阻的增加，產(chǎn)生了電流密集效應(yīng)，從而使得發(fā)光效率的下降；在大電流注入的情況下，缺陷會(huì)發(fā)生增值，最終導(dǎo)致漏電流的增加。因此，P-GaN的金屬電極的歐姆接觸對(duì)LED的光學(xué)性能起重要的作用。
除了以上原因，其余失效原因還包括芯片與基板的焊接空洞、層裂，透鏡的黃化、開裂，芯片的開路、短路等。
四、LED燈具加速壽命測試方法
為了快速發(fā)現(xiàn)LED光源模塊的失效點(diǎn)和薄弱點(diǎn)，通常采用加速壽命試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行可靠性研究試驗(yàn)。所謂加速壽命試驗(yàn)就是在不改變失效機(jī)理的前提下，采用提高應(yīng)力的方法，使器件加速失效，以便在較短的時(shí)間內(nèi)取得加速情況下的失效率、壽命等數(shù)據(jù)，然后推算出在正常狀態(tài)應(yīng)力條件下的可靠性特征量。加大應(yīng)力情況下能加快LED內(nèi)部物理化學(xué)的變化，迅速暴露出器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的缺陷，為LED光源模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料優(yōu)化提供依據(jù)和參考。目前常用的施加應(yīng)力條件包括溫度、濕度、振動(dòng)與沖擊、太陽輻射(紫外輻射)、電磁輻射、氣壓強(qiáng)度、化學(xué)物質(zhì)(腐蝕氣體)、沙塵、電壓、電流等，多項(xiàng)研究證明，針對(duì)LED光源模塊比較有效的加速應(yīng)力主要是溫度、濕度、電流和振動(dòng)，LED燈具可靠性試驗(yàn)方法的關(guān)鍵在于如何采用應(yīng)力的組合方式、施加時(shí)間和施加方式。按照在試驗(yàn)時(shí)施加應(yīng)力的方式，加速壽命試驗(yàn)可以分為以下幾種。
1.恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)
恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)是將樣品分為幾組，每一組都在一個(gè)固定的應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，樣品在試驗(yàn)期間所承受的應(yīng)力保持不變，應(yīng)力水平數(shù)不少于3個(gè)。該試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間較長，樣品數(shù)量相對(duì)多一些。但與其他兩種加速壽命試驗(yàn)相比是最為成熟的試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)設(shè)備相對(duì)簡單，試驗(yàn)條件易于控制，試驗(yàn)結(jié)果誤差也較小，因而得到廣泛應(yīng)用。目前美國能源之星對(duì)LED燈具壽命的測試就是采用這個(gè)方法，必須先測試LED芯片在55℃，85℃以及一個(gè)廠家指定的溫度環(huán)境下的6000小時(shí)光衰數(shù)據(jù)，然后再測試LED芯片在LED燈具中的溫度，就可以推算出LED燈具壽命。但是恒定應(yīng)力加速方法所需要的時(shí)間還是太長，無法適應(yīng)市場的需要。
2.步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)
步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)是樣品在試驗(yàn)期間所承受的應(yīng)力按一定的時(shí)間間隔階梯式增加，直至樣品產(chǎn)生足夠的退化為止。該試驗(yàn)?zāi)軌蛟谳^短的時(shí)間內(nèi)觀察到元器件的失效，而且只需要一組試驗(yàn)樣品。但是兩組應(yīng)力之間的時(shí)間間隔不容易確定。時(shí)間間隔太短，則變更應(yīng)力時(shí)的過渡效應(yīng)會(huì)對(duì)產(chǎn)品的老化結(jié)果帶來影響，時(shí)間間隔太長，則與恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)無本質(zhì)區(qū)別。而且以步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)來確定產(chǎn)品的壽命——應(yīng)力關(guān)系的話，誤差也相對(duì)較大。
目前一個(gè)研究熱點(diǎn)就是利用步進(jìn)溫度應(yīng)力和恒定高濕度應(yīng)力對(duì)LED光源子系統(tǒng)進(jìn)行加速退化試驗(yàn)，從而預(yù)測其壽命。運(yùn)用這個(gè)方法必須基于以下五個(gè)假設(shè)：
(1)試驗(yàn)樣品經(jīng)歷的性能退化不可逆轉(zhuǎn)，即性能退化過程具有單調(diào)性。
(2)在每一個(gè)加速應(yīng)力水平下，試驗(yàn)樣品的失效機(jī)理與失效模式均保持不變。
(3)在不同應(yīng)力水平下試驗(yàn)樣品的加速退化數(shù)據(jù)具有相同的分布形式，同時(shí)利用性能退化數(shù)據(jù)得到的樣品偽失效壽命在不同應(yīng)力水平下應(yīng)服從同一分布類型。
(4)試驗(yàn)樣品具有“無記憶特性”，其殘余壽命與累積的方式無關(guān)，僅取決于加載的應(yīng)力水平和已累積失效部分。
(5)可以通過線性或線性化的表達(dá)式來描述產(chǎn)品的性能退化過程。
一般選定三個(gè)步進(jìn)溫度應(yīng)力水平和一個(gè)恒定濕度應(yīng)力水平，首先計(jì)算具體溫度應(yīng)力步長時(shí)間，然后確定置信度、樣品數(shù)量等，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間到達(dá)終止時(shí)間，選取擬合程度較高的退化模型擬合退化數(shù)據(jù)，計(jì)算出樣品在恒定高濕應(yīng)力下不同溫度應(yīng)力水平的偽失效壽命，最后求出正常應(yīng)力水平下的光源可靠度分布函數(shù)等可靠性特征，并計(jì)算出壽命。利用此方法一般測試時(shí)間為2000小時(shí)，可以滿足市場需要，但是最終可靠的研究成果還未通過與實(shí)際點(diǎn)燃燈具壽命的比對(duì)驗(yàn)證。
3.序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)
序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)是樣品在試驗(yàn)期間所承受的應(yīng)力按時(shí)間等速增加，直至樣品產(chǎn)生足夠的退化為止，該試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是加速效率最高，試驗(yàn)時(shí)間最短。但試驗(yàn)的過程中應(yīng)力隨時(shí)間連續(xù)增加，為了確定元器件的退化程度與應(yīng)力-時(shí)間的依賴關(guān)系，需要在幾個(gè)不同的應(yīng)力-時(shí)間變化率上重復(fù)做幾次試驗(yàn)，因此這就決定了其統(tǒng)計(jì)分析非常復(fù)雜，而且試驗(yàn)裝置比較昂貴，因而較少采用。
4.高加速壽命試驗(yàn)
現(xiàn)在一個(gè)LED可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方向是在步進(jìn)應(yīng)力加速和序進(jìn)應(yīng)力加速的基礎(chǔ)上，綜合其它應(yīng)力條件的高加速壽命試驗(yàn)(HALT)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GWM8287，高加速壽命試驗(yàn)的第一步是進(jìn)行步進(jìn)溫度試驗(yàn)。
第二步進(jìn)行快速溫度變化試驗(yàn)。
第三步進(jìn)行步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)。
第四步進(jìn)行步進(jìn)振動(dòng)和快速溫度變化同時(shí)作用的試驗(yàn)。
最后根據(jù)實(shí)際樣品情況在上述四個(gè)步驟的基礎(chǔ)上進(jìn)行序進(jìn)應(yīng)力加速循環(huán)試驗(yàn)，把幾種應(yīng)力條件不斷提高，直到產(chǎn)品失效為止。這種方法的主要目的是找到產(chǎn)品的應(yīng)力極限，不可預(yù)測壽命，一般試驗(yàn)時(shí)間小于100小時(shí)。
這四種加速壽命試驗(yàn)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際的可靠性研究試驗(yàn)中應(yīng)針對(duì)不同試驗(yàn)品特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)方法的選擇。
五、結(jié)論
目前LED燈具可靠性和加速壽命檢測方法都在研究當(dāng)中，不同的研究機(jī)構(gòu)都有自己的研究方向和觀點(diǎn)。筆者認(rèn)為2000小時(shí)左右的加速測試時(shí)間市場可以接受，檢測費(fèi)用也不會(huì)過高，應(yīng)力加速測試時(shí)間結(jié)束后，除了測試常用的LED燈具光通量、色坐標(biāo)等指標(biāo)以外，建議可以加上LED電噪聲功率譜等一些可以反映微觀物理機(jī)制改變的可靠性指標(biāo)。因?yàn)楣馔康淖兓⒉幻舾?，加速壽命測試后，某些LED燈具實(shí)際可靠性結(jié)構(gòu)和微觀物理機(jī)制已經(jīng)發(fā)生變化，但是光通量和色坐標(biāo)并沒有明顯變化，如果配以其他可靠性指標(biāo)的測試可以提高可靠性檢測結(jié)果的可信度。
