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关于LED灯具的可靠性检测

浏览次数: | 2013-11-07 17:34

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       随着LED技术的快速发展,LED在照明领域的各个方面应用也越来越广泛,并逐渐开始占据照明市场的主导地位。

  LED作为新型照明光源,在很多方面具有传统光源所无法比拟的优势。但是,它在实际应用过程中仍存在一些问题而导致它没有达到其理论上的使用寿命和光度参数上的要求。因此,如果不能实现高可靠性、长寿命的LED光源,即使光效再好,高昂的维护成本必然限制其在各个领域的应用。白炽灯的额定寿命一般是1000小时,荧光灯的平均寿命是10000小时,而根据美国照明研究中心(LRC)Narendran等人对白光LED进行的寿命实验,LED的寿命可以达到10万小时。

  一、LED灯具可靠性检测的重要性

  照明LED商业化到现在还不足15年,技术仍在不断发展和完善。而各生产厂商在外延到芯片到封装技术水平上也相差较大,同一厂商生产的不同批次LED质量也参差不齐。再加上应用产品的设计以及使用方法的差别,照明LED的寿命完全达不到理论上的10万小时。因此,提高LED的可靠性是LED研究的重中之重。而对LED可靠性的研究是提高其可靠性和使用寿命的前提和基础。对LED的可靠性的研究不仅能从根源上对LED的失效机理进行分析,进而从设计、工艺以及使用等方面提出改进方案,而且可对LED照明产品的可靠性提供全面的评估,为LED早期失效筛选及产品质量管理提供依据,因此,LED可靠性的研究无论对于LED科研还是LED产业都具有非常重要的学术价值和实用价值。

  美国能源部(DOE)固态照明2010年技术路线也将LED照明产品的可靠性强化试验和加速寿命试验的相关评价与测试技术作为最近几年的重要研究方向,并获得美国研究机构的支持。科锐、飞利浦等照明巨头也投入巨大人力、物力进行LED可靠性方面的研究。我国工信部、科技部、国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)、广东省科技厅近年来也投入许多资金加大对LED照明产品可靠性方面的支持和研究。许多高校、研究机构、标准联盟都提出计划准备制定LED可靠性和加速寿命试验方面的标准,但是由于缺少可靠的研究成果,目前各类检测和认证在评估LED灯具寿命时都仍然按LED灯具在正常工作状态燃点,然后测量光衰的办法。

  二、LED灯具可靠性和寿命检测的现状

  按照国家标准,传统荧光灯和节能灯的性能测试方法都要测试2000h光衰和6000h寿命。目前CQC的LED照明产品节能认证是测量3000h、6000h和10000h光衰来评判LED灯具的寿命;而美国的能源之星对LED照明产品进行认证时,光衰减测试的最低要求是6000小时。这些测试方法虽然能检测出样品的实际寿命情况,但是测试时间太长,测试费用也过高,完全不能满足市场的需求。因为有别于传统灯具技术比较成熟和稳定,LED技术发展迅速,每隔半年产品用的芯片和产品外形都有很大的变化,等到6000小时的光衰试验做完,这个产品可能已经被市场淘汰,因此我们必须找到更快速和更科学的LED灯具可靠性检测方法。

  如果把LED灯具看作一个系统,根据可靠性检测我们可以把它分为三个子系统,分别是光源模块(模组)子系统,驱动电源子系统和接口子系统。笔者认为,目前某些研究机构提出把整体灯具进行寿命加速试验然后来预测寿命这个方法不太妥当。不同系统的失效原理和加速原理都差异巨大,得出来的数据并不可靠。所以,应该按照不同子系统来分开对待。LED灯具的驱动电源子系统无论和传统灯具的控制装置比较,还是和目前市场上的其余电子产品的电源比较,技术难度并不算高,对光源可靠性的影响也没有传统灯具控制器那么大,所以按照目前的LED控制装置的国家标准和国际标准严格测试就基本可以保证它的可靠性。接口子系统通过振动和接口插拔等试验也可以保证它的可靠性,关键需要研究的是LED光源模块子系统。

  三、LED光源模块的失效原因

  LED光源模块一般由基板、芯片、封装材料(包括荧光粉)、透镜组成,某些模块还包括散热装置和导热硅胶,现在流行的封装方式有DOB和COB。因为LED光源模块设计的多样性和组成的复杂性,所以造成失效的原因也非常多,一般包括以下几点:

  1.封装材料退化

  2.污染物焊接

  3.固晶底胶引起的失效

  4.荧光粉失效

  5.散热问题引起的失效

  6.LEDGaN基外延材料缺陷引起的失效

  7.静电损伤引起的失效

  8.P型GaN欧姆接触老化

  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

  2.步进应力加速寿命试验

  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

  4.高加速寿命试验

  五、结论

  目前LED灯具可靠性和加速寿命检测方法都在研究当中,不同的研究机构都有自己的研究方向和观点。笔者认为2000小时左右的加速测试时间市场可以接受,检测费用也不会过高,应力加速测试时间结束后,除了测试常用的LED灯具光通量、色坐标等指标以外,建议可以加上LED电噪声功率谱等一些可以反映微观物理机制改变的可靠性指标。因为光通量的变化并不敏感,加速寿命测试后,某些LED灯具实际可靠性结构和微观物理机制已经发生变化,但是光通量和色坐标并没有明显变化,如果配以其他可靠性指标的测试可以提高可靠性检测结果的可信度。


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