LED加速寿命和可靠性试验

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狷蔺
5 years ago
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1 LED 加速寿命和可靠性试验浙江省半导体照明测试系统工程技术研究中心杭州远方光电信息股份有限公司光电科学研究所摘要 :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 L 50 或 L 70 ; 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 u v 0.007), 超过范围则视为 LED 失效 ;

2 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 Approved Method for Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources; IES TM Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Packages IEC/PAS LED modules for general lighting Performance requirements EC/PAS Luminaire Performance Part 2-1: Particular requirements for LED luminaires 我国的 GB/T 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 灯具寿命的要求试验方法选项 (Option) 1 选项 (Option) 2

3 测试对象 LED 光源 LED 灯具 ( 一体化 ) 寿命 / 流明维持率家用室内 :L70(6k) 25,000 小时 ; 家用户外和商用 : L70(6k) 35,000 小时 6000h 光通维持率 : 室内灯具 : 91.8%; 户外灯具 : 94.1% ; 商用灯具 : 94.1% 依据试验标准 LM-80-08,TM LM 每个 Ts 和驱动电流下, 至少 20 个样品数量 LED 封装, 或 10 个 LED 模块 ( 参考 3 个完整灯具 TM-21) 老化温度高温 ( 与灯具中的实际温度相适应 ) 室温现对 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

4 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 L 70 ;Fy 表示失效率, 包括缓变失效率 By 和瞬变失效率 Cy 例如:L 70 F 50 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 F 50, 则至少 n-2 个模块通过 ; 若声称 F 10, 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测试灯具试验方法对象模块模块符合 IEC PAS 模块不符合 IEC PAS 62717, 有模块不符合 IEC PAS 62717, 无模块测试数据模块测试数据测试温度 Tp;LED 模块性能温度 Tq: 灯具的环境温度 ( 应确保在声称的 Tq max 下, 模块 tp 不会超过 ) 样本数量 n 20 不需要 % 额定寿命 10% 额定寿命, 不 25% 额定寿命老化时间 -- 不超过 6000h 超过 2000h 不超过 6000h 测试时间至少每 1000h 测量一次测试内容光通维持率颜色漂移 ( 包括颜色坐标和显色指数 ) 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

5 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 [2] 以及关于 CFL [3] 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

6 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, [2] IES Approved Method for the Characterization of LED Light Engines and LED Lamps for Electrical and Photometric Properties as a Function of Temperature [3] ENERGY STAR Program Requirements for CFLs ENERGY STAR Eligibility Criteria Energy-Efficiency Criteria Version 4.3 [4] 沈海平, 大功率 LED 可靠性预测机制研究, 博士毕业论文,2008.

项目 / 参数名称 Fixtures) 荧光灯的电气和光度测量 IES LM 光输出描述 LED 光引擎和一体化 LED 灯的电气光度特性与温度的关系 IES LM 室内荧光灯具的光度测试的认定方法 IES LM 户外荧光灯具的光度测试 IES LM-10

项目 / 参数名称 Fixtures) 荧光灯的电气和光度测量 IES LM 光输出描述 LED 光引擎和一体化 LED 灯的电气光度特性与温度的关系 IES LM 室内荧光灯具的光度测试的认定方法 IES LM 户外荧光灯具的光度测试 IES LM-10 名称 : 佛山市沃特测试技术服务有限公司地址 : 广东省佛山市顺德区陈村镇顺联国际机械城 2 座二楼 13-19 号注册号 :CNAS L6478 认可依据 :ISO/IEC 17025 EPA 能源之星以及 CNAS 特定认可要求签发日期 :2017 年 03 月 23 日有效期至 :2022 年 10 月 21 日附件 6 认可的能源之星检测能力范围项目 / 参数名称未分组 1 灯具