最新LED加速寿命和可靠性试验.docx

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateLED加速寿命和可靠性试验LED加速寿命和可靠性试验LED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. 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. LED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)。LED的缓变退化(失效)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;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uv0.007)，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. 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 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. 北美体系和IEC系统对LED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。3.1 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1：美国“Energy Star(能源之星)”对LED灯具寿命的要求现对LM-80 和TM-21两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;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。3.2 IEC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。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2： IEC体系对LED模块和灯具的光通维持率测试要求4. 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1：我国的LED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-82-112以及关于CFL3的国内外标准的要求。图2 典型LED光通量随环境温度变化曲线5. 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, 2007.2 IES Approved Method for the Characterization of LED Light Engines and LED Lamps for Electrical and Photometric Properties as a Function of Temperature3 ENERGY STAR® Program Requirements for CFLs ENERGY STAR Eligibility Criteria Energy-Efficiency Criteria Version 4.34 沈海平，大功率LED 可靠性预测机制研究，博士毕业论文，2008.-