大功率LED加速寿命试验方法研究进展

李文涛 白虹 肖海清 陶自强 王宏伟 付艳玲 于红梅 魏玮

(中国检验检疫科学研究院 北京 100123)

1 前言

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是在半导体PN结或类似结构中通以正向电流，以高效率发出可见光或红外辐射的器件，是一种新型固态冷光源，具有能效高、寿命长、电压低、体积小、重量轻、响应速度快、抗震性能好等优点，越来越广泛地应用于各式各样的电子组件及产品中，作为公认的新型下一代绿色光源，大功率LED已经出现在道路照明、室内照明、汽车大灯等传统照明领域［1－3］。虽然LED是公认的高可靠性产品，但是关于大功率LED寿命测试数据的报道仍显不足［4］。研究人员在LED寿命试验方面做了大量的研究工作，常见的寿命试验方法为普通条件外推法，但是由于LED理论寿命为10万h，需要长达11.8年时间不间断的进行，试验成本高、周期长、产品更新换代快，因此通常采用电流、温度等对LED芯片、模块或灯具进行加速寿命试验，分析大功率LED的失效模式及失效的物理机制。通过实验分析(光、电等参数表征、纤维形貌表征和化学成分分析等)结合理论分析(数值模拟)的方法对LED的寿命进行有效的分析与预测［5］。本文主要论述大功率LED的加速寿命试验方法研究进展。

2 LED光源的寿命

与传统光源不同，LED的理论寿命很长，即使光通量衰减到初始值的50%，它依旧能持续点亮很长时间。照明设计师需要确切了解其能发出不低于有效光通量、能满足他们设计的寿命，而不是其“不亮”的寿命，以精确计算安装、维护、更换成本，与传统光源做比对。基于以上原因，往往采用光通量维持率来计算LED的有效寿命。我国国家标准《GB/T 24823－2009普通照明用LED模块 性能要求》［6］将LED模块的寿命定义为光通量衰减到初始值的70%时的累积点燃时间(L70)。

根据美国能源部(DOE)关于固态照明产品(SSL)“能源之星”的寿命阈值要求［7］，如果6000 h最小光通量维持率为91.8%，则最大声称寿命L70=25000 h;如果6000 h最小光通量维持率为94.1%，则最大声称寿命L70=35000 h。

3 大功率LED的寿命测试标准

大功率LED的可靠性测试包括环境试验和耐久性试验。常用的试验方法有美国电子器件工程联合委员会(JESD)、日本电子情报技术产业协会(JEITA)和美国军方标准(MIL－STD)的标准方法［5］。大功率LED寿命测试是耐久性试验中的一项重要内容，现在发布了对大功率LED寿命的规范和寿命测试的一些方法。北美照明协会(IESNA)发布了LED光源流明维持测量方法LM－80标准［8］，该标准中的寿命为实际测得寿命，不包括通过外推方法进行寿命的估计和推断。所以，北美照明协会又制定了TM－21标准［9］，专门用于对寿命进行外推的情况。目前，行业内还没形成比较统一的针对大功率LED可靠性试验规范或者标准，这也导致了不同的企业各自形成自己的可靠性试验方案。国家标准《GB/T 24908－2010普通照明用自镇流LED灯性能要求》里关于平均寿命的测试方法按照国家标准《GB/T 24824－2009普通照明用LED模块测试方法》里的第5.5条款的要求和附录D方法进行［6，10］，其主要方法为在25℃环境里通过测量产品每300 h的光通量，直至6000 h的光通维持率推算产品寿命值。然而，该试验方法并未给出LED光通量随时间变化的函数匹配曲线公式或算法，所以，仍然无法有效估算LED的寿命。此外，总共6000 h的寿命试验，试验周期仍然很长。因此，急需较为统一的加速试验规范，在尽可能短的时间内对LED照明产品可靠性和寿命进行科学判定，为检验把关提供科学、快速的评定方法，也可以帮助企业尽早发现产品缺陷，提高LED产品的品质。

4 大功率LED加速寿命试验方法研究进展

随着LED生产技术水平的提高，产品寿命和可靠性得到很大改善。如果仍采用常规额定应力下的寿命试验，很难对产品的寿命和可靠性做出较为客观的评价，因此，中外很多学者对LED的加速寿命试验方法进行了有益探索，取得了很多重要进展。

在加速寿命试验方法理论研究方面，孙晓君等［2］介绍了一种适用于工业条件下的、器件筛选和器件质量保证等环节的、半导体发光器件的加速寿命试验设计方法，以及关于可靠性预计评估的试验数据分析处理方法。通过该方法，在针对LED的性能退化现象和运行不稳定问题进行加速试验设计时，可以在已知目标可靠度和置信度的前提下，定量地确定满足可靠性要求的试验样本量、加速应力水平及试验时间。贺卫利等［11］研究了根据加速应力评价LED寿命的测试方法和数学模型，在不同的加速试验应力条件下测试了大功率LED可靠性，并建立了LED寿命的几种数学模型，最后根据具体事例，通过选择加速应力和试验方法，给出具体推导LED寿命的数学公式。

在加速寿命试验方法研究方面，对于LED的加速条件主要为温度应力和电流应力［12］，分为单一加速应力和复合加速应力2种情况。国内外已有一些学者在单一加速应力方面进行了积极的探索。赵阿玲等［1，13］对大功率白光 LED以电流为应力进行加速寿命试验，分析研究光通量、发光效率、峰值波长、主波长和电压等参数随老化时间的变化情况，通过对试验出现的结果和失效现象进行分析比较，得出结论：LED衰变退化的主要原因是荧光粉的退化、封装材料的热退化、散热问题导致的退化、P型欧姆接触退化等。陈宇等［4］设计了加速条件为－25℃/125℃的高低温循环加速老化实验，分析了光电热等特性随老化时间的变化情况，试验结果表明：不同结构材料封装的LED器件光衰速率不同，蓝光LED器件的主波长变化不明显，白光LED器件色温略有变化;器件的结温、热阻随老化时间呈升高趋势;高低温循环加速老化的实验方法对评价LED的可靠性有重要的参考意义。Jeong等人［14］开发了一种－20℃ －75℃的温度循环加速寿命试验方法，可快速暴露用于冰箱显示的LED的缺陷，可显著提高生产厂家筛选出有缺陷LED的效率。

也有不少报道采用复合加速应力的试验方法。Yanagisawa等［15］对基于InGaN的白光LED进行了加速寿命试验，试验条件为在高温(40℃)和高湿(90%RH)环境下，对LED施加较高的电流应力，试验时间为5700 h，考察了LED的光输出随试验时间延长的变化并分析了退化的原因，推算出在正常工作条件下，该LED灯的半寿命(一半LED灯失效的寿命)为1.5万h。Yang等人［16］通过同时施加大电流和高温两个加速因素，研究了大功率LED芯片及封装的退化机理，结果表明，LED芯片的结温和老化时间是导致LED光输出退化的重要原因。

LED常见的失效机制有：芯片材料失效、电迁移破坏、芯片击穿、封装材料失效、键合失效、荧光粉失效和基板失效等。其他失效机理：由于局部温度过高导致金线与电极开路;由于各材料之间热膨胀系数存在差异，温度的变化造成的应力使得金线断裂;芯片键合老化;倒装芯片中焊球的脱落等［4］。加速寿命试验的关键在于建立寿命特征与应力水平之间的关系，利用外推法求得正常应力水平下的寿命特征。现有的研究结果表明，不同类型、结构的LED有不同的失效机制，很难用一种数学模型解决所有LED的寿命预测问题。因此，在加速寿命试验过程中须将各种可能的失效都加以考虑，并逐项考察不同失效机制在相同应力下的失效情况，开发与这些机制对应的数学模型。

利用加速寿命试验预测LED的寿命，最关键的问题是要不改变LED的失效机理。因此，不管用何种加速应力，都需要跟正常应力的试验结果进行比对。目前，国内外的许多学者［1－4，11－16］已经利用加速寿命试验获得了很多有用的试验结果，并提出了预测LED寿命的数学模型，对LED的可靠性评定和筛选具有重要的参考意义。但是，现有的这些研究结果都缺乏正常应力下的长寿命试验数据，在今后的研究中，需要进一步积累正常应力下的寿命试验数据。

目前，常用LED光通量的衰减作为LED失效的判据。已有的研究结果表明［11－16］，经过加速寿命试验之后，LED不仅会出现光输出退化现象，其色温、光谱特征、电学特性等参数也发生了明显的变化。因此，在光通量的衰减之外，是否可以用其他参数作为LED失效的判据，是未来需要研究和解决的问题。此外，也需要研究光通量的衰减与其他参数之间的相关性。

值得注意的是，LED照明产品主要由LED驱动电源和LED模块组成，LED照明产品的寿命由LED模块和驱动电源之间寿命最短者决定，LED驱动电源的寿命是保证LED照明产品长寿命的重要保障。现有报道的研究对象大多都是LED模块或LED芯片，因此，今后应对LED驱动电源的加速寿命试验方法和失效机制的研究引起足够的重视。

5 结束语

本文简要介绍了大功率LED寿命的定义、测试技术及加速寿命试验方法的最新进展。国内外相关研究机构也设计了一系列的加速环境应力试验方法，如：通电的温湿度试验、温度循环试验、大电

流加速试验、温度和大电流复合加速试验等等。但是，任何一种试验都不能很好地解释如下情况：试验条件及结果与实际使用产品可靠性之间的联系。所以，即便LED通过了试验筛选，仍不能肯定LED是否可以应用于实际的工作环境。从另一方面看，通过加速寿命试验，能够在较短时间内预测出LED产品正常应力条件下的寿命特征，试验所提供的直观试验结果，可以部分地反映LED在工作环境中的工作寿命，从而为筛选提供依据。因此，加速寿命试验是对大功率LED照明产品长期使用可靠性进行评价的有效途径，其存在的一些不足，是未来需要重点解决的课题。

［1］赵阿玲，尚守锦，陈建新.大功率白光LED寿命试验及失效分析［J］.照明工程学报，2010，12(1)：48 －57.

［2］孙晓君，谢劲松.LED可靠性评估的加速寿命试验设计方法［J］.电子、电路设计与应用，2009，27(3)：20 －25.

［3］郑代顺，钱可元，罗毅.大功率发光二极管的寿命试验及其失效分析［J］.半导体光电，2005，26(2)：87 －91.

［4］陈宇，黄帆，严华锋，等.通过加速老化实验对LED器件可靠性的研究［J］.照明工程学报，2011，22(增刊)：34 －38.

［5］张芹.大功率LED模块温度湿度加速寿命试验研究［D］.华中科技大学博士学位论文，2011，8－11.

［6］GB/T 24823－2009普通照明用LED模块性能要求［S］.

［7］ENERGY STAR® Program Requirements for Solid State Lighting Luminaires，Eligibility Criteria-Version 1.1［S］.

［8］IES LM－80－08 Method：Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources［S］.

［9］IES TM －21－11 Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Packages［S］.

［10］GB/T 24824－2009普通照明用LED模块测试方法［S］.

［11］贺卫利，郭伟玲，高伟，等.大功率发光二极管可靠性和寿命评价试验方法［J］.应用光学，2008，29(4)：533 －536.

［12］何况，秦会斌，杨已青.发光二极管寿命预测技术［J］.杭州电子科技大学学报，2011，31(1)：20 －23.

［13］赵阿玲，贺卫利，陈建新.大功率白光LED加速寿命试验研究［J］.郑州轻工业学院学报(自然科学版)，2010，25(1)：65－68.

［14］Jae－Seong Jeong，Jin－Kyu Jung，Sang－Deuk.Park.Reliability improvement of InGaN LED backlight module by accelerated life test(ALT)and screen policy of potential leakage LED［J］.Microelectronics Reliability，2008，48：1216 －1220.

［15］Takeshi Yanagisawa，Takeshi Kojima.Long－term accelerated current operation of white light－ emitting diodes［J］.Journal of Luminescence，2005，114：39 －42.

［16］Shih －Chun Yang，Pang Lin，Chien －Ping Wang，et al.Failure and degradation mechanisms of high－power white light emitting diodes［J］.Microelectronics Reliability，2010，50：959 －964.