LED加速老化测试进展及失效分析

杨艺伟 庄益娈 徐洪海 裘科名

摘 要：LED灯具作为新一代光源被广泛应用，但由于其实际寿命远低于理论寿命而被诟病。文章介绍了恒定应力及阶梯应力加速老化测试下的LED寿命研究进展，及对LED灯具的失效分析。

关键词：LED寿命；应力测试；失效分析

中图分类号：TM923.34 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0069-02

Abstract： As a new generation of light sources， LED lamps are widely used， but their actual life span is far shorter than their theoretical life span. This paper introduces the research progress of life span of LED under a constant stress and step stress accelerated aging test， and makes the failure analysis of LED lamps.

Keywords： life span of LED； stress test； failure analysis

引言

2017年，全球LED行业市场规模约为6481亿美元，预计2020年中国LED照明的渗透率达到60%-70%，将逐步成为新一代的照明光源。对使用者来说，LED灯具寿命是所有参数中最重要的一个，理论上，LED灯具的寿命能达到10万小时，但其电光转换效率仅有10%到15%，其余部分则全部变为热量排放，影响其发光性能及缩短了实际寿命。业界普遍认为只有解决了LED灯具实际寿命远小于理论寿命的问题，才能真正取代传统照明得到大面积推广。

普通条件外推法为最常见的灯具寿命测试方法。但根据LED的理论寿命，其测试时间将长达十数年，此试验周期长、成本高，并不适用LED灯具。因此，对LED寿命加速试验模型及其可靠性的研究是非常必要的。

1 LED寿命预测最新进展

1.1 相关标准

美国能源之星于2008年开始发布了一系列关于LED检测的标准，包涵了LED整体式灯具测试标准、LM-79-08、LM-80-08及TM-21-11。其中LM-80-08主要是光通量的测试方法，而TM-21-11 是基于 LM-80-08 得到的数据，提出了相关寿命预估的方法。2014年，其又在LM-80-08和TM-21-11的基础上，提出了LM-84-14及TM-28-14标准。

1.2 恒定应力加速老化研究进展

为了实现LED照明产品寿命的快速估算，许多科研人员针对在恒定应力加速下的老化实验研究。S.I. Chan等人研究了恒定温度与湿度，加速对LED光源的老化[1]，研究其失效机理，得到的不同老化条件下LED光输出如下图1所示。

袁长安等人根据LM-80-08标准，研究了LED灯具恒定温度应力条件下的加速老化实验[2]，该实验根据e指数衰减理论，将LM-80-08标准规定的测试时间从6000小时最终降至1300小时，大大缩减了寿命老化时间。

张斌等人对LED灯具进行了高温高湿的加速老化实验，其针对影响LED失效的主要模式，选择采用Conffin-Manson加速模型，计算出不同水平应力下失效模型的寿命分布[3]。

经过大量文献总结，发现LED照明在恒定应力寿命预测实验中主要存在两个问题：一个是实验适当的结束时间，另一个为建模方法的选取。

1.3 阶梯应力加速老化研究进展

阶梯应力加速老化是指对同一组实验样本在不同时间施加不同大小的应力来进行实验研究，其只需一组实验样本，不仅节省成本，还不会因不同的样本产生实验误差。

C. M. Liao等人对LED灯具进行了温度阶梯应力加速老化测试[4]，论证了LED光衰路径符合维纳过程，基于极大似然函数法对所得数据进行分析，并采用累积退化量相等模型对阶梯应力进行转化计算。最后给出了优化阶梯应力加速老化测试的算法。

H. Y. Tang 等人对LED灯具的阶梯应力加速老化测试进行了研究[5]，得到了阶梯应力加速老化曲线呈非线性关系的结论，同时对模拟结果与计算结果进行了验证，证明其可靠性。

杨辉等人对LED模塊进行了电流应力阶梯增加及降低的老化实验[6]，实验应力数为5个，采用累计失效率相等模型对阶梯应力进行转化计算，实验时间约1200小时。

2 LED灯具的失效分析

LED灯具的失效主要可以从电应力、热应力、机械应力、封装等几方面进行分析。其中电应力导致的失效主要指LED产品遭电流过载或静电冲击而引起的失效，热应力失效主要是由于灯具内部温度过高，超过其额定值，使某些系统或模块发生失效。机械应力失效是LED灯具在生产、运输过程中，内部组件遭到超过其承受值的应力导致结构位移而引发的失效。封装失效则是设计或生产工艺不合理而引起的失效。

在进行LED灯具失效分析时，不仅要对整个系统进行分析，还要对各子系统及模块进行失效分析。综合相关资料，根据灯具的实际情况，分析各个子系统的失效模式及此模式对灯具性能的影响，绘制表格如表1。

3 结束语

本文介绍了LED照明产品相关标准的概况及对恒定应力、步进应力的加速老化研究进展做了介绍。同时对LED照明产品失效做了分析，发现引起故障的主要原因可以归结为灯具荧光粉的碳化、驱动电路板过热烧坏、硅胶老化及元器件错位脱落。在今后的研究中，除了对LED灯具进行电流、温度应力作用外，还需对其进行振动、电磁干扰等其他应力影响的探究。

参考文献：

[1]S. I. Chan， W. S. Hong， K. T. Kim， Y. G. Yoon， J. H. Han， J. S. Jang. Acceleratedlife test of high power white light emitting diodes based on package failuremechanisms. Microelectron Reliability [J]. 2011，51（9-11）：1806-1809.

[2]袁長安，许绍伟，李博，等.CSA020，LED照明产品加速衰减试验方法[Z].北京：国家半导体照明工程研发及产业联盟，2013.

[3]张斌.LED照明系统寿命加速实验与评估[D].天津：天津大学，2014.

[4]C. H. Hu， M. Y. Lee， J. Tang. Optimum step-stress accelerated degradation testfor Wiener degradation process under constraints[J]. European Journal of OperationalResearch，2015，241（2）：412-421.

[5]H. Y. Tang， D. G. Yang， G.Q. Zhang， F. Z. Hou， M. Cai， Z. F. Cui. Multi-physicssimulation and reliability analysis for LED luminairs under step stress accelerateddegradation test [J]. 13th international conference on thermal， mechanical andmulti-physics simulation and experiments in microelectronics and Microsystems，Eurosime， 2012，1/5-5/5.

[6]杨辉.LED可靠性试验与寿命分析模型研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2013.

[7]李治江.浅析LED灯流明维持寿命的预估问题[J].科技创新与应用，2015（18）：57.