大功率LED燈具的壽命——LED知識（四）

施克孝

（中廣國際建筑設計研究院，北京 100034）

目前，關于LED燈具（本文以大功率LED燈具為例）的壽命有多種說法，有人說是2萬小時，有人說是5萬小時，有的甚至說10萬小時。那么，LED燈具的壽命究竟是多少呢？本文就來談談這個問題。

有一個著名的水桶理論，也叫水桶定律或短板理論，是指一只水桶，如圖1所示，盛水的多少并不取決于最長的那塊木板（圖1中的B板），而是取決于最短的那塊木板（圖1中的A板），盛水超過最短板A就會流出來。

LED燈具的壽命，正好符合水桶理論。LED燈具主要由LED芯片、散熱系統及驅動電源三個部分組成，如圖2所示，這三個部分對LED燈具的壽命都是至關重要的。

如果把LED燈具的壽命比做“水桶”中的“水”， 那么LED芯片、燈具的散熱系統及驅動電源就是構成“水桶”的三塊木板，哪一塊最短，哪一塊就決定了LED燈具的壽命。現在分別談一下影響LED燈具壽命的“三塊木板”。

1 LED芯片的質量

LED芯片是LED光源的核心部件，它的壽命很大程度上決定著LED燈具的壽命。影響LED芯片壽命的因素有三個，即芯片的晶格缺陷、封裝工藝及熒光粉的質量。

首先，構成LED芯片的材料是晶體。理想的晶體如圖3 所示。如果晶格排列得不那么好，有的地方缺行，如圖4所示，這種缺陷就會影響LED芯片的壽命。另外，如果LED芯片所摻雜的雜質不是我們所需要的雜質，也會影響LED光源的壽命。

其次，LED的封裝是否合理也是影響芯片壽命的重要因素。目前美國Cree（科瑞）公司、Lumilends公司和日本日亞公司等全球幾大知名公司的封裝工藝水平比較高，LED封裝技術也都有專利保護，其LED的壽命也就有保證。但其他大多數企業的產品工藝封裝仿制較多，這些產品從外形看還可以，但工藝結構和工藝質量都較差，因而嚴重影響了LED的壽命。另外，LED芯片的性能都具有一定的分散性，在封裝之前應根據LED芯片的面積、光效等諸多指標進行歸類分檔。如果芯片在封裝前不進行分檔，封裝后的成品出光率必然參差不齊。這就是說，LED的封裝及封裝之前的分檔也是影響LED壽命的重要因素。

最后，熒光粉的質量同樣影響LED芯片的壽命。目前LED芯片產生白光的方法有多種，其中有兩種方法是通過熒光粉發白光的。一種方法是在LED藍光芯片上涂覆YAG（Yttrium Aluminum Garnet，釔鋁石榴石）熒光粉。前面已經說過，波長短的光子比波長長的光子能量大，因此，芯片發出的藍光（波長短）激發熒光粉可產生500 nm～560 nm的黃綠光（波長較藍光長），藍光與黃綠光合成白光。這種方法得到白光的成本較低，但熒光粉的均勻性較難控制，且芯片使用一段時間后，光效和色溫都會有相應變化。另一種方法是讓LED芯片發出紫外線，紫外線再激發RGB（紅、綠、藍三基色）熒光粉產生紅、綠、藍三基色光，三基色光再混合成白光。因為紫外線的光子能量較大，使封裝材料環氧樹脂容易老化，這也會影響LED芯片的壽命。

如果LED芯片成為LED燈具壽命的“短板”，那么，上述三個因素中哪個出現問題，哪個就是影響LED芯片和燈具壽命的“短板”，如圖5所示。

2 LED的散熱系統

在談及LED燈具時，關于是否存在紅外線以及發熱量的多少，也有多種說法。實際上，LED光源發白光的光通量理論值應在300 lm/W以上。大功率LED光源目前只達到80 lm/W～100 lm/W，也就是說電能的近1/3變成可見光，大多數電能變成了熱能。這些熱能要以熱傳導及熱輻射的形式散發。所以，大功率LED燈具的散熱系統至關重要。

LED光源的P-N結對溫度非常敏感。溫度高，將使LED芯片的壽命大打折扣。如圖6所示，它是Cree公司給出大功率白光LED的光衰（光通量衰退，light attenuation）曲線圖。

按照國際慣例（也是原有光源規范的規定），光源的有效壽命定義為：光通量衰減到初始值的70% 時，光源就算壽終。LED光源的P-N結在不同溫度下的有效壽命見圖中綠橫線與各曲線的交點位置。從圖6中可以看出，P-N結的溫度為75 ℃時，壽命為51 000 h（綠色曲線）；溫度為85 ℃時，壽命為22 000 h（黃色曲線）；溫度為95 ℃時，壽命為18 000 h（粉色曲線）；溫度為105 ℃時，壽命為12 000 h（紅色曲線）。實際上，大功率LED燈具的P-N結溫度目前大約在105 ℃左右，也就是說，LED芯片的壽命只有10 000多小時。如果燈具的散熱條件不好，LED芯片的P-N結升溫過高，LED芯片會很快損壞。這時，散熱系統就成為LED燈具壽命的“短板”，如圖7所示。

散熱系統對LED芯片的壽命影響很大，用同樣質量的芯片放在不同的燈具中，壽命會相差幾倍甚至幾十倍。一種燈具的設計是否成功，除光路系統外，散熱系統起著決定性作用。

3 驅動電源

驅動電源對LED燈具的壽命起著關鍵的作用，這是一個很容易被忽視的問題，也可能是當前推廣大功率LED燈具的瓶頸。檢查燈具時往往會出現這樣的情況：發現LED芯片并沒有損壞，而是驅動電源出現故障。通常，LED芯片的壽命遠大于驅動電源的壽命。例如，Cree公司的XLamp的系列產品7090XR-E是白光LED芯片，其典型工作參數是3.5 V，700 mA（2.45 W），P-N結溫度為80 ℃（這個溫度只有非常好的散熱系統才能做到），光通量衰減到初始值的70 %時，芯片壽命為50 000 h。目前，最好的驅動電源壽命已超過30 000 h，較差的驅動電源壽命僅為幾千小時。如果LED燈具選用了高質量的芯片，同時散熱系統做得也好，驅動電源的壽命就可能成為薄弱的環節，如圖8所示。

4 關于有效壽命

光衰的指標采用不同的標準，往往也把對LED光源知之較少的人引入誤區。

大家知道，傳統光源的壽命有兩種說法，一種叫全壽命，一種叫有效壽命。全壽命定義為光源從點燃到壽終（不亮）為止的全部累積點燃時間。有效壽命是指光源點燃后，當它的光通量衰減到初始值的70%時的光源累計點燃時間。因為光源的光通量從初始值的70%到壽終（不亮）還能點很長時間，所以絕大多數光源的有效壽命遠小于全壽命。

LED 光源是一種新光源，新光源的壽命采用有效壽命是沒有爭議的。目前國際上通常將L70列為考核LED光源壽命的一項標準。所謂L70，就是指把LED光源初始光通量看做1.0（即100%），光通量衰減到初始值的70% 時算做光源的有效壽命。而國內LED業界，有的制造企業把光通量衰減到初始值的50%（俗稱半衰期）作為LED燈的壽命標準。從圖6可以看出，當LED的P-N結工作溫度為105 ℃時，光衰到初始值的70%時壽命為12 000 h，光衰到初始值的50%時壽命為21 000 h，這兩個數值相差很多。從事燈具應用的技術人員，如果不清楚兩個標準之間的差異，可能會做出錯誤的判斷。

5 關于顯色指數和色溫

對于影視舞臺的LED燈具，即使光通量沒有衰減到初始值的70%，如果顯色指數Ra降低過多或光源色溫變化過大，也應視為其壽命的終結。因為，顯色指數或色溫變化過多，各個燈的色溫又不一樣，燈具就失去了使用價值。

筆者簡析影響LED燈具壽命的幾個方面，是希望大家對LED燈具的壽命有一個更加清晰的了解，同時也希望影響LED燈具壽命的“短板”越高越好，甚至做到水桶的各個板塊一樣平齊，使LED燈具壽命的“水”盛的越多越好。

LED作為繼白熾燈、氣體放電燈之后的一代新光源，具有光效高、節能、環保無污染、不怕震動等許多優點，引發了一場光源的革命，但因為LED光源還在迅速發展之中，它的提升空間還很大。我們客觀地評說它的優點，指出發展方向，是一種更加負責任的態度。過分地“忽悠”LED光源目前還不具備的“長處”，并不利于LED光源的發展。

［1］沙占友. LED照明驅動電源優化設計. 北京：中國電力出版社，2011

［2］楊清德，楊蘭云. LED及其應用技術問答. 北京：電子工業出版社，2011

［3］施克孝，于寶富. 彩色電視照明原理與布光技巧.北京：北京農業大學出版社，1988