LED球泡灯光衰激活能评估方法

武德起,武夷平,楚晓杏

(1.中国科学院 微电子研究所,北京 100029;2.河南机电职业学院 产业技术研究院,河南 郑州 451191)

LED灯具有寿命长、节能环保的优点,已被广泛应用于景观照明、交通照明、背光源等多种场合.然而目前市场上LED照明产品存在性能参差不齐、质量评估体系不健全、没有公认的技术标准可供参考等问题,严重影响了LED照明产品的推广使用[1].时下LED照明产品的可靠性评估已成为国内外LED产品研究的热点.LED照明产品在设计和生产中的任一缺陷都很容易在使用过程中被放大,形成诸如非辐射复合增加、热阻变大、结温升高等问题,使得LED照明产品的光通量快速衰减,可靠性下降,严重影响LED照明产品长寿命的发挥[2].为此很有必要推出一套LED照明产品加速寿命测试标准,即在相对较短的时间内评估出某款LED照明产品的寿命预期,一方面使用户了解产品可能的寿命预期,另一方面,通过加速寿命测试快速放大产品缺陷,暴露产品在设计或生产过程中可能存在的问题,以便使企业完善技术,提高产品质量,有利于LED照明产品优势的发挥.实验证明[3],使用阿伦尼斯模型预测LED照明产品在稳态工作下的寿命时,0.1 eV的激活能偏差会引起2个数量级的预测寿命误差.为此,LED照明产品性能衰减激活能数值测定的准确性将直接决定LED照明产品寿命预测的精准度.

LED照明产品作为一个复杂的系统,其光衰激活能大小是由其系统组成部件内在因素共同决定的[4].一旦确定了LED照明产品的光衰激活能,就能够预判该产品的寿命预期,进而分析出可能的失效机理,进一步得到能够保持失效机理不变的可施加应力范围,在该应力范围内进行加速寿命实验,能够节约评估该产品可靠性的时间.

绝大多数厂家都会给出相关LED照明产品的一个光衰激活能范围,一般在0.4～1.0 eV[5-9],由于LED照明产品结构和制备工艺不同,其激活能数值也不尽相同[10].产品激活能还可以通过查阅资料,根据化合物性质获得一个经验值.这2种方法获得的激活能数值仅可作为参考,远达不到用于产品寿命预测的精度.目前,针对激活能,尤其是LED照明产品光衰激活能数值的具体测定方法报道得很少.郭春生等[11]通过序进应力加速寿命实验测出了半导体器件的失效激活能.Lu等[12]通过非线性拟合研究了LED光源和灯具的激活能.莫郁薇[13]获得了半导体分立器件的热激活能.王兵[14]通过高温加速寿命实验得出LED激活能0.746 eV.Vázquez等[15]采用电流应力测试出铝铟镓磷LED灯的激活能.Nogueira[16]测试出商用铝铟镓磷LED灯的激活能.前人给出的实验结果差别较大,难于在产品预测寿命中直接用于推算寿命预期.

本文基于阿伦尼斯模型和光通量指数衰减模型,经过数学推导得到了计算LED球泡灯光衰激活能数值的具体数学公式.通过实验,得到了一种精确求解LED照明产品光衰激活能的方法.实验选用阳光BPZ 220/5W JA55型球泡灯在温度应力40、50、60 ℃下点燃老化1 000 h,通过光通量的定期测试,在测试相应结温的基础上,精确计算了该产品的光衰激活能数值,并对其失效机理作了简要分析.

1 LED球泡灯光衰激活能求解方法及实验方案

1.1 光衰激活能求解方法

任何化学反应都需要足够的能量克服反应势垒,这一能量定义为化学变化激活能,激活能Eα是表征易于失效的量度.Arrhenius认为失效机制的激活能在低温下是不变的[2].已证明温度高于500 K时,激活能会随温度的升高而变化[17].

LED照明产品的光通量变化遵循式(1)的指数模型:

Φt=Φ0e-βt,

(1)

其中,Φt为t时刻光通量,Φ0为开始点燃时的光通量,β为衰减系数,t为工作时间.

产品在某判据C下(如L70)的寿命为

(2)

得到产品在i和i+1两个温度应力下的衰减系数关系如下:

(3)

根据式(1)得到在i温度应力下工作ti时间的产品寿命为[18]

(4)

衰减系数β和结温Tj可由阿伦尼斯方程表达为[18]

(5)

其中,β0为待定常数,Eα为光衰激活能,Tj为结温,k为玻氏常数.

将式(5)对数处理,同样可得到产品在i和i+1两个温度应力下的衰减系数关系

(6)

由式(3)和(6)左边相等可得

(7)

所以,光衰激活能可表达为

(8)

其中,Tj,i为对应于i的结温;Tj,i+1为对应于i+1的结温.

至此,测出t时刻的光通量,带入式(4),求出某结温下的寿命LC,在知道对应结温的情况下,利用式(8),就能算出该产品的光衰激活能.

(9)

1.2 激活能实验方案

产品寿命受到诸如温度、机械引力、湿度、电流等多种因素的影响[19-20],色漂、驱动装置等因素也可以作为失效判据.本文仅以温度应力作为参考,评估产品的光衰激活能,进而推测其寿命预期.

1.2.1 实验设备

实验设备如表1所示.

表1 实验设备

1.2.2 实验样品选择

随机选取14只老化过的BPZ 220/5 W JA55型阳光球泡灯.

1.2.3 实验过程

为保证失效机理不变,设置最高温度60 ℃(前期实验已证实该球泡灯的温度承受能力高于80 ℃),低温环境温度设置为40 ℃.点燃样品,通过测试光通量进而求解其光衰激活能.设置每组样品量7只以确保最终可用样品量不少于6只,能够保证数据统计结果的准确性.14只阳光BPZ 220/5 W JA55灯泡是在常温下老化1 000 h后的样品中挑选出来的.为确保实验的可重复性,将2个用于实验的恒温箱置于外界温度25 ℃的环境中,箱内温度分别设置为40、60 ℃.温度60 ℃的样品每7 d测试1次光电参数,温度40 ℃的样品每10 d测试1次光电参数,样品点燃1 000 h以上.

光衰测试系统结构如图1所示,由稳压电源供电的功率计测试LED球泡灯的电学参量,由余弦接收器接收LED球泡灯发出的光,经过光谱仪采集光学参量,传输至电脑进行数据保存和分析.

图1 光衰测试系统结构示意Fig.1 Schematic diagram of light failure test system structure

BPZ 220/5W JA55型阳光球泡灯样品如图2所示.

图2 测试样品Fig.2 Testing samples

2 实验结果分析

2.1 结温测试

前期工作得知,当阳光型球泡灯在环境温度40、60 ℃下点燃时,所测得的结温数据如表2所示.

表2 阳光型球泡灯结温数据

阳光型球泡灯在40、60 ℃环境温度下得到的LED产品结温分别为86.57、105.25 ℃,这与厂家给出的80 ℃左右和100 ℃左右基本上吻合.

2.2 光衰激活能测试

激活能实验数据使用光通量指数衰减模型和阿伦尼斯模型处理.对2个不同温度应力下点燃的LED球泡灯所测得的光通量数据进行处理,得出在这2个温度所对应的结温下LED产品的寿命,从而计算出LED整灯的平均激活能.在40、60 ℃加速老化条件下的测试结果、样品衰减系数及其70%加速寿命(L70)数值整理如表3、表4所示.

表3 40 ℃温度应力下样品的加速寿命实验数据、衰减系数及加速寿命数值

表4 60 ℃温度应力下样品的加速寿命实验数据、衰减系数及其加速寿命

根据光衰激活能的计算公式,将表3、表4中各样品的预测寿命值及在各应力下的结温代入式(9),计算出各样品的激活能大小,进而得到该款产品的平均激活能数值为0.67 eV,如表5所示,这与厂家给出的数值(0.7 eV左右)接近.

表5 阳光型球泡灯的光衰激活能

选取的100只阳光BPZ 220/5 W JA55球泡灯样品在室温下正常点燃1 000 h的老化过程中仅有1只偶然失效,老化后随机选取的14只球泡灯直到实验结束没再出现失效问题.该失效球泡灯始终没有出现变暗、变色等情况,是突然停止工作的,属于偶然现象,很可能是受到了磕碰而诱发的突变损坏.由此可知,该款球泡灯主要是由于温度变化引起的芯片失效.

2.3 结果分析

随机选取老化后的14只阳光BPZ 220/5 W JA55球泡灯,分别在40、60 ℃ 2种温度应力下点燃687 h和573 h,对样品进行了光通量的测量.用光通量衰减指数模式和阿伦尼斯模型进行数学处理,计算出了该类型阳光球泡灯的平均光衰激活能数值为0.67 eV.这为后期进行恒定温度应力下加速寿命的实验奠定了良好的基础,极大地减少了估算的误差.

3 结论

在理论推导的基础上,通过恒流模式下结温的测量,以光通量的衰减作为失效判据,不同温度应力模式下精确测试了阳光BPZ 220/5W JA55球泡灯的光衰激活能.通过精确确定LED球泡灯的光衰激活能,能够在较短的时间内预测LED球泡灯的预期寿命,以极小的代价预测LED球泡灯在设计中的缺陷和不足,便于改善产品性能.