LED加速老化測試進展及失效分析

楊藝偉 莊益孌 徐洪海 裘科名

摘 要：LED燈具作為新一代光源被廣泛應用，但由于其實際壽命遠低于理論壽命而被詬病。文章介紹了恒定應力及階梯應力加速老化測試下的LED壽命研究進展，及對LED燈具的失效分析。

關鍵詞：LED壽命；應力測試；失效分析

中圖分類號：TM923.34 文獻標志碼：A 文章編號：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行業市場規模約為6481億美元，預計2020年中國LED照明的滲透率達到60%-70%，將逐步成為新一代的照明光源。對使用者來說，LED燈具壽命是所有參數中最重要的一個，理論上，LED燈具的壽命能達到10萬小時，但其電光轉換效率僅有10%到15%，其余部分則全部變為熱量排放，影響其發光性能及縮短了實際壽命。業界普遍認為只有解決了LED燈具實際壽命遠小于理論壽命的問題，才能真正取代傳統照明得到大面積推廣。

普通條件外推法為最常見的燈具壽命測試方法。但根據LED的理論壽命，其測試時間將長達十數年，此試驗周期長、成本高，并不適用LED燈具。因此，對LED壽命加速試驗模型及其可靠性的研究是非常必要的。

1 LED壽命預測最新進展

1.1 相關標準

美國能源之星于2008年開始發布了一系列關于LED檢測的標準，包涵了LED整體式燈具測試標準、LM-79-08、LM-80-08及TM-21-11。其中LM-80-08主要是光通量的測試方法，而TM-21-11 是基于 LM-80-08 得到的數據，提出了相關壽命預估的方法。2014年，其又在LM-80-08和TM-21-11的基礎上，提出了LM-84-14及TM-28-14標準。

1.2 恒定應力加速老化研究進展

為了實現LED照明產品壽命的快速估算，許多科研人員針對在恒定應力加速下的老化實驗研究。S.I. Chan等人研究了恒定溫度與濕度，加速對LED光源的老化[1]，研究其失效機理，得到的不同老化條件下LED光輸出如下圖1所示。

袁長安等人根據LM-80-08標準，研究了LED燈具恒定溫度應力條件下的加速老化實驗[2]，該實驗根據e指數衰減理論，將LM-80-08標準規定的測試時間從6000小時最終降至1300小時，大大縮減了壽命老化時間。

張斌等人對LED燈具進行了高溫高濕的加速老化實驗，其針對影響LED失效的主要模式，選擇采用Conffin-Manson加速模型，計算出不同水平應力下失效模型的壽命分布[3]。

經過大量文獻總結，發現LED照明在恒定應力壽命預測實驗中主要存在兩個問題：一個是實驗適當的結束時間，另一個為建模方法的選取。

1.3 階梯應力加速老化研究進展

階梯應力加速老化是指對同一組實驗樣本在不同時間施加不同大小的應力來進行實驗研究，其只需一組實驗樣本，不僅節省成本，還不會因不同的樣本產生實驗誤差。

C. M. Liao等人對LED燈具進行了溫度階梯應力加速老化測試[4]，論證了LED光衰路徑符合維納過程，基于極大似然函數法對所得數據進行分析，并采用累積退化量相等模型對階梯應力進行轉化計算。最后給出了優化階梯應力加速老化測試的算法。

H. Y. Tang 等人對LED燈具的階梯應力加速老化測試進行了研究[5]，得到了階梯應力加速老化曲線呈非線性關系的結論，同時對模擬結果與計算結果進行了驗證，證明其可靠性。

楊輝等人對LED模塊進行了電流應力階梯增加及降低的老化實驗[6]，實驗應力數為5個，采用累計失效率相等模型對階梯應力進行轉化計算，實驗時間約1200小時。

2 LED燈具的失效分析

LED燈具的失效主要可以從電應力、熱應力、機械應力、封裝等幾方面進行分析。其中電應力導致的失效主要指LED產品遭電流過載或靜電沖擊而引起的失效，熱應力失效主要是由于燈具內部溫度過高，超過其額定值，使某些系統或模塊發生失效。機械應力失效是LED燈具在生產、運輸過程中，內部組件遭到超過其承受值的應力導致結構位移而引發的失效。封裝失效則是設計或生產工藝不合理而引起的失效。

在進行LED燈具失效分析時，不僅要對整個系統進行分析，還要對各子系統及模塊進行失效分析。綜合相關資料，根據燈具的實際情況，分析各個子系統的失效模式及此模式對燈具性能的影響，繪制表格如表1。

3 結束語

本文介紹了LED照明產品相關標準的概況及對恒定應力、步進應力的加速老化研究進展做了介紹。同時對LED照明產品失效做了分析，發現引起故障的主要原因可以歸結為燈具熒光粉的碳化、驅動電路板過熱燒壞、硅膠老化及元器件錯位脫落。在今后的研究中，除了對LED燈具進行電流、溫度應力作用外，還需對其進行振動、電磁干擾等其他應力影響的探究。

參考文獻：

[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，許紹偉，李博，等.CSA020，LED照明產品加速衰減試驗方法[Z].北京：國家半導體照明工程研發及產業聯盟，2013.

[3]張斌.LED照明系統壽命加速實驗與評估[D].天津：天津大學，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]楊輝.LED可靠性試驗與壽命分析模型研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2013.

[7]李治江.淺析LED燈流明維持壽命的預估問題[J].科技創新與應用，2015（18）：57.