LED加速壽命和可靠性試驗

1. 概述

隨著近年來LED光效的不斷提升，LED的壽命和可靠性越來越受到業界的重視，它是LED產品最重要的性能之一。壽命是可靠性的終極表現，然而LED的理論壽命很長，像傳統光源采用2h45min開、15min關的循環測試到壽命終了，對LED產品的測量顯然不現實。因此有必要對LED產品采用加速老化壽命試驗[1]，同時，也應當測試LED的熱學特性、環境耐候性、電磁兼容抗擾度等與壽命和可靠性密切相關的性能，以綜合分析LED的壽命。

2. LED可靠性和壽命相關的關鍵指標

LED產品制造中的每一個元件和環節都會對其可靠性和壽命產生影響，例如，LED結和基板的虛焊、LED熒光粉的熱猝滅和退化、封裝材料的退化以及驅動器的失效等，最后退化的可能才是半導體(PN結)本身。這些因素導致LED產品失效(退化)的方式也不盡相同，一般可分為緩變退化(gradual degradation)和瞬變退化(abrupt degradation)。

LED的緩變退化(失效)指標主要包括：

流明維持率下降，即光衰，一般以初始光通量為100%，當LED產品的流明維持率下降到初始值的70%或50%時，認為LED失效，流明維持壽命相應記為L50或L70;

顏色漂移，受到熒光粉或封裝材料的變化，LED的顏色會在壽命期間內發生漂移，該漂移應在指定范圍以內(如△u’v’≤0.007)，超過范圍則視為LED失效;

電性能變化，電性能變化能更為直觀地監測;

開關次數，開關可能會對驅動等電路產生一定影響;

熱阻變化和其它熱特性參數曲線，熱特性與壽命息息相關，對熱特性的測量和分析有助于找出LED可靠性的薄弱環節;

LED的瞬變退化(失效)即LED的光輸出突然降為0，其主要退化包括：抗電磁干擾能力：靜電放電、雷擊浪涌、快速群脈沖、周波跌落;高低溫沖擊耐受性特性;鹽霧、耐濕、振動等。

3. 相關標準要求

針對LED的主要緩變退化，國際上已有相關標準相繼發布，以是北美體系和國際照明委員會(IEC)體系最為典型，我國標準則基本融合了這兩個體系。

•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

•EC/PAS 62722-2-1 Luminaire Performance –Part 2-1: Particular requirements for LED luminaires

•我國的GB/T 24824、GB/T24823、QB/T4057等

•我國的GB/T XXXX LED加速壽命試驗方法(尚未發布)

3. 北美體系和IEC系統對LED壽命和壽命試驗方法的要求

北美體系和IEC系統在對LED產品的壽命要求和試驗方法方面都有所區別，但針對于LED燈具壽命的評估，二者都提出直接老化測試燈具，或根據封裝LED、LED模塊等的老化試驗進行推算。

3.1 北美體系

如表1所示，Energy Star將對LED燈具壽命的試驗方法分為選項1和選項2，其中，選項1是通過測試光源推導燈具的壽命;而選項2僅適用于光源和燈具不可分的一體化燈具，直接測試燈具的光通維持率。選項1，L70(6k)的表示是指，利用6000h(6K)的老化測試推導出的流明維持壽命L70的時間。

表1：美國“Energy Star(能源之星)”對LED燈具壽命的要求

現對LM-80 和TM-21兩個標準的要求總結如下：

適用范圍：LED封裝、模塊、陣列等;

考察對象：只考察光通維持壽命，即緩變失效因素

老化溫度：指定點殼溫(Ts)為55℃，85℃和第三個指定溫度，三個溫度覆蓋燈具中LED光源的Ts溫度。

老化時間：6000h，推薦10000h;

樣本數量要求及其與外推壽命時間的關系：20個以上樣品，外推壽命最高為老化時間的6倍;10-19個，外推壽命最高為老化時間的5.5倍;

光色參數測試時間：至少每1000h測量一次;

對突然失效的處理：觀察記錄，調查確認突然失效是因為光源本身原因;

記錄顏色衰變：有;

數據記錄：每個LED的光通維持、中間值、標準偏差、最小和最大光通維持率值;

曲線擬合：1. 以初始值為1，歸一化光通維持率;

2. 在每個測量點，求得測試樣品歸一值的平均值;

3. 數據要求：不采用小于1000h內的測量數據;老化6000h-10000h，至少用5000h的數據;大于10000h，用最后50%的數據。

外推計算：推薦指數模型。

3.2 IEC體系

IEC體系中用Lx Fy 來表征LED產品的壽命，其中，Lx表示光通量維持率，如L70;Fy表示失效率，包括緩變失效率By和瞬變失效率Cy。例如：L70F50為30000h是指：50%的模塊在30000h后的光通維持率在70%以下。

對于普通照明用的白光LED產品，IEC并不強調對聲稱的壽命進行驗證，而是對限定時間的流明維持率進行分級。

IEC 中對LED模塊和燈具的光通維持率測試如表2所示。特別注意的是IEC體系中，LED模塊或燈具的瞬變失效和緩變失效是要在最終的Fy指標上體現出來的。對于一組LED模塊，按試驗樣品20個計算，若聲稱F50，則至少n-2個模塊通過;若聲稱F10，則n個模塊全部通過試驗。

老化試驗中的溫度也特別值得關注。LED模塊老化應在外殼指定點為Tp溫度下老化，相當于北美體系中的Ts;而燈具則在環境溫度Tq下考察其性能，并且應確保在聲稱的Tq max下， 模塊溫度Tp不會超過。

4. 加速老化和壽命測試系統

對于加速老化和壽命的測試，無論采用北美體系或IEC體系，其硬件測量裝置基本相同，一般主要包括恒溫試驗箱、多路電源、多路溫度巡檢儀等。目前國內外對于LED加速老化和壽命測試系統的研制也十分關注。由于LED光源或燈具的光色性能需在室溫(25℃±1℃)條件下測量，因此國外典型設備一般需要和積分球光譜儀系統結合起來，在LED老化到一定時間后冷卻恒溫箱內溫度，并將被測LED取出到積分球系統中進行光色測量。該操作過程很繁瑣，若測試間隔時間較短，則整個老化測試十分費時費力，而當測試間隔較長是，則不能及時反映LED光色參數的變化過程，被測LED的失效時間的記錄誤差較大。