关于LED灯具可靠性检测工作的思考

所以，白光LED的光衰减甚至失亮的很大部分原因就是热作用下荧光粉性能的快速衰减。因此，荧光粉自身的质量对LED的正常发光寿命有着很重要的影响。 5.散热问题引起的失效

LED是一种固态的半导体器件，而LED芯片的表面面积较小，工作时电流密度大，且用于照明时往往要求多个LED组合而成。LED密集度大，导致芯片发热密度高，而结温上升会导致光输出减少，芯片加快蜕化，缩短器件寿命。表1给出了几种不同材料的热导率。可以看出，目前在功率型LED的制备中，技术最为成熟、使用最多的蓝宝石衬底的热导率只有35～46W/(m×K)，不足Si材料的1/4。

如果要考虑到实际应用中对色漂移的不良影响，热设计也要对最高结温进行限制。由于LED芯片输入功率的不断提高，对这些功率型LED的封装技术就提出了更高的要求，如今散热问题已成为制约高功率LED发展的关键因素。 6.LEDGaN基外延材料缺陷引起的失效

由于没有与GaN相配的衬底材料，目前在绝大部分的LED器件中的GaN薄膜中存在着大量的缺陷。GaN材料与目前主流衬底蓝宝石的晶格常数的失配率为14%，而在蓝宝石衬底上生长的GaN材料位错密度为108/cm3～1010/cm3。

在LED的制备过程中，材料的缺陷会对载流子有吸附作用，从而在有源层中形成无辐射的复合中心，增加了光的吸收，导致LED发光效率的下降；当电流足够大时，载流子才会发生辐射的复合，但这又会引起晶格振动，晶格的热运动会加速缺陷的形成，造成LED

异质结的退化。器件中接触的金属电极在电应力和热应力的作用下就会沿着错位迁移，从而形成低通欧姆阻道，这会引致器件光功率的下降和漏电流的增加。因此，提高外延材料的质量，降低材料中的缺陷密度能有效提高LED器件的可靠性。 7.静电损伤引起的失效

GaN材料具有3.39eV的宽禁带，高电阻率。因此，GaN基LED芯片在其生产、运送的过程中所产生的静电电荷容易积累而产生高的静电电压。蓝宝石衬底的GaN基LED器件的结构对静电的承受能力是很小的，极易被其产生的静电击穿。在无静电保护的情况下，人体所产生的静电容易将LED局部击穿，LED器件被静电击穿后将造成永久性失效。 8.P型GaN欧姆接触老化

Meneghesso等人在分析GaN的失效过程中，通过LED器件在退化前后的I-V特性，Meneghesso等人认为这些变化是由于P-GaN透明导电膜与金属导线电极的欧姆接触在大电流和热的影响下退化，导致串联电阻的增加，产生了电流密集效应，从而使得发光效率的下降；在大电流注入的情况下，缺陷会发生增值，最终导致漏电流的增加。因此，P-GaN的金属电极的欧姆接触对LED的光学性能起重要的作用。

除了以上原因，其余失效原因还包括芯片与基板的焊接空洞、层裂，透镜的黄化、开裂，芯片的开路、短路等。

四、LED灯具加速寿命测试方法

为了快速发现LED光源模块的失效点和薄弱点，通常采用加速寿命试验对其进行可靠性研究试验。所谓加速寿命试验就是在不改变失效机理的前提下，采用提高应力的方法，使器件加速失效，以便在较短的时间内取得加速情况下的失效率、寿命等数据，然后推算出在

正常状态应力条件下的可靠性特征量。加大应力情况下能加快LED内部物理化学的变化，迅速暴露出器件结构设计和材料的缺陷，为LED光源模块结构设计和材料优化提供依据和参考。目前常用的施加应力条件包括温度、湿度、振动与冲击、太阳辐射(紫外辐射)、电磁辐射、气压强度、化学物质(腐蚀气体)、沙尘、电压、电流等，多项研究证明，针对LED光源模块比较有效的加速应力主要是温度、湿度、电流和振动，LED灯具可靠性试验方法的关键在于如何采用应力的组合方式、施加时间和施加方式。按照在试验时施加应力的方式，加速寿命试验可以分为以下几种。 1.恒定应力加速寿命试验

恒定应力加速寿命试验是将样品分为几组，每一组都在一个固定的应力下进行试验，样品在试验期间所承受的应力保持不变，应力水平数不少于3个。该试验的试验时间较长，样品数量相对多一些。但与其他两种加速寿命试验相比是最为成熟的试验方法，其试验设备相对简单，试验条件易于控制，试验结果误差也较小，因而得到广泛应用。目前美国能源之星对LED灯具寿命的测试就是采用这个方法，必须先测试LED芯片在55℃，85℃以及一个厂家指定的温度环境下的6000小时光衰数据，然后再测试LED芯片在LED灯具中的温度，就可以推算出LED灯具寿命。但是恒定应力加速方法所需要的时间还是太长，无法适应市场的需要。

2.步进应力加速寿命试验

步进应力加速寿命试验是样品在试验期间所承受的应力按一定的时间间隔阶梯式增加，直至样品产生足够的退化为止。该试验能够在较短的时间内观察到元器件的失效，而且只需要一组试验样品。但是两组应力之间的时间间隔不容易确定。时间间隔太短，则变更应力时的过渡效应会对产品的老化结果带来影响，时间间隔太长，则与恒定应力加速寿命试验无本

质区别。而且以步进应力加速寿命试验来确定产品的寿命——应力关系的话，误差也相对较大。

目前一个研究热点就是利用步进温度应力和恒定高湿度应力对LED光源子系统进行加速退化试验，从而预测其寿命。运用这个方法必须基于以下五个假设： (1)试验样品经历的性能退化不可逆转，即性能退化过程具有单调性。 (2)在每一个加速应力水平下，试验样品的失效机理与失效模式均保持不变。 (3)在不同应力水平下试验样品的加速退化数据具有相同的分布形式，同时利用性能退化数据得到的样品伪失效寿命在不同应力水平下应服从同一分布类型。

(4)试验样品具有“无记忆特性”，其残余寿命与累积的方式无关，仅取决于加载的应力水平和已累积失效部分。

(5)可以通过线性或线性化的表达式来描述产品的性能退化过程。

一般选定三个步进温度应力水平和一个恒定湿度应力水平，首先计算具体温度应力步长时间，然后确定置信度、样品数量等，当试验时间到达终止时间，选取拟合程度较高的退化模型拟合退化数据，计算出样品在恒定高湿应力下不同温度应力水平的伪失效寿命，最后求出正常应力水平下的光源可靠度分布函数等可靠性特征，并计算出寿命。利用此方法一般测试时间为2000小时，可以满足市场需要，但是最终可靠的研究成果还未通过与实际点燃灯具寿命的比对验证。 3.序进应力加速寿命试验