LED灯具失效模式及系统可靠性研究进展

2014-04-01   来源：中国半导体照明网   作者：黄艳¹、李倩¹、高伟²、潘建根¹

LED节能减排潜力无限，根据美国能源部（DOE）预测，LED在未来20年，将可以缩减2500亿美元的能源支出，减少18亿吨的CO²排放，但这一切均以兑现其宣称的长寿命为前提。
       依据现有标准，LED灯具的寿命一般基于LED光源的流明维持数据外推得到。但实际上，LED灯具寿命还受到光源以外其他部件的影响，例如，一旦灯具的驱动发生早期失效，则其将无法实现上述的外推寿命。因此，灯具的寿命与系统整体可靠性紧密相关，其可靠性未知，我们就无法正确的理解LED灯具的真实寿命。
       LED灯具的寿命一般由光源外推得到，并未考虑其他部件的长期可靠性，导致其宣称寿命存在难以兑现的风险，已成为市场推广的最大障碍之一。DOE也正在携同北美照明工程学会（IES）及国际电工委员会（IEC）推进LED灯具及驱动可靠性相关的标准化工作。2013年底，DOE组建的LED系统可靠性协会(LSRC)发布了一份通过加速应力试验识别LED灯具潜在失效模式的试验报告，对LED灯具可靠性的量化预测以及寿命评价均具有重要意义。
      本文将详细介绍该项试验及相应的结果分析，深入探讨LED可靠性与失效之间的关联，以及评价的关键因素与方法。

      一、LED灯具失效模式的识别对其可靠性和寿命评价至关重要

      寿命一般是指单个产品在指定的环境和机械条件下正常运行的时长，可靠性一般是指系统或系统部件在指定期限内和额定条件下正常工作的能力，一般用平均失效间隔（MTBF）或平均失效时间（MTTF）来表示。理解LED灯具的可靠性，首先需要确定其各种失效模式，以及各种失效对系统整体失效的影响，从而获得灯具的可靠性和对LED灯具长寿命的正确评价。
      LED灯具包括多个组件，其电子器件的失效与大多数电子器件类似，失效率符合浴盆曲线规律，如图1所示，根据失效率随时间的变化，分为早期失效、偶然失效以及损耗失效三个阶段。
      假设灯具的失效速率是一定的，在t时刻，失效灯具占总样本数的比例[1]为：

图1：浴盆曲线

F(t) =1-exp(-t/θ)                       （1）

      F(t)—t时刻，样品失效率；t—时间；θ—失效间隔MTBF。
      如果一个系统包含多个独立且不相互干扰的部件，则系统失效率与单个部件失效率之间的关系为：

Fsys(t) =F1(t)F2(t)...Fn(t)                   （2）

      Fsys(t)—t时刻，系统的失效率；t—时间；Fn(t)—部件n在t时刻的失效率。
      寿命期间内的可靠性函数R(t)代表老炼时间达到t之后的样品存活率，则R(t)与F(t)之间的关系：

R(t) =1-F(t)                             （3）

      LED灯具主要包括LED光源、光学器件、反射和漫射器件等，假设这些器件串联工作，则LED灯具的可靠性函数可以表达为：

Rlum =RLEDRDrivROpticsRRefROther               （4）

      Rlum(t)—灯具的可靠性函数，RLED(t)—光源的可靠性函数，RDriv(t)—驱动的可靠性函数，ROptic(t)—光学器件的可靠性函数，RRef(t)—反射器件的可靠性函数，ROther(t)—其他部件的可靠性函数。
      利用IES LM-80以及TM-21标准外推的寿命主要考虑了光源的可靠性，灯具的整体可靠性评价首先应确定灯具的主要失效模式，即（2）式的主要因素，进而确定（4）式中整体可靠性的主要贡献分量，这就需要长时间采集大量的失效数据来论证。

       二、Hammer Test 试验及结果探讨

       LED灯具野外或现场的失效模式相关数据一般难以收集，因此，LSRC结合现有的标准以及文献[2-9]报道的试验结果，设计了高强度应力条件下的加速寿命试验，以期在有限的时间段，定性识别LED灯具的各项失效模式，确定上述（2）式及（4）式中的主要分量，为后续失效模式的进一步量化分析提供依据。
      （一）测试样品
       LSRC选择7种不同型号的室内灯具，6种为6英寸的筒灯或者类似产品，另一种为2英尺×2英尺的凹槽灯具，灯具依次编号为A、B、C、D、E、F和G，包括了现下的荧光粉型、混合型以及远程荧光粉型LED灯具，详情见表1。

表1 锤炼试验的灯具

       （二） 测试方法简介
       试验分为两部分：①利用极限试验条件，在合理期限内定性识别失效模式的hammertest(以下称为“锤炼试验”)，针对所有样品灯具；②用于监测被测灯具性能随时间变化的控制试验，针对选中的部分灯具进行测试。试验样本数见表1。
       1. 锤炼试验方法
锤炼试验一个周期历时42h，包括四个应力阶段，如图2所示：
       （1）阶段1是以标准EIA/JESD22-A101-B为模型的稳态温湿度寿命测试，环境试验箱内保持85℃和85%相对湿度（RH），被测对象（DUT）开1h，关1h，如此循环共6h；
       （2）阶段2是以JESD22-A104D标准为模型的温度振荡试验，DUT要放于热振荡箱内，温度在-50℃~+125℃之间快速循环，极限温度处持续30分钟，共循环15h，同时，DUT循环开关，开关周期不断变化；
      （3）阶段3同阶段1，时长6h；
      （4）阶段4是以JESD22-A103C测试条件A为模型的高温运行寿命试验，DUT在120℃高温下工作，开1h，关1h，共历时15h。

图2 锤炼试验图: 温度、湿度和电压的42h 循环变化

在每轮42h锤炼试验结束后，每个灯具都经过目测，并在小积分球内进行定性的相对光度测量。
       每5轮锤炼试验结束后，按照LM-79标准，利用65英寸积分球进行绝对光度测量，筒灯采用LM-79推荐的2π安装几何，凹槽式灯具采用4π安装几何，并采用辅助灯按照LM-79进行自吸收校正。
       2.控制试验方法
       试验灯具按照图3，安装于办公室的天花板上，办公室空调环境温度在22℃左右（早上7点至下午6点），其他时间空调关闭，温差约在5℃以内。试验灯具持续运行（一天24h，一周7天，一年365天）近296天。试验期间，采用小积分球进行定期的相对测量，并在试验结束后，取下灯具，在大积分球内按照LM-79进行绝对测量。

图3 灯具控制试验

（三）试验结果
       1.控制试验
       小积分球期间监测所测量的照度均与初始值相差在6%以内，因为该监测以定性为目的，测试结果暗示在第一次测试期间内，灯具性能没有发生大的变化。
       在接近7100h的持续运行之后，灯具从天花板上拆下来，于65英寸积分球内按照LM-79进行光通量测量，测试前预热1h，测试结果见表2。

表2 控制试验中，灯具的运行时间及观测数据 

        灯具C流明输出平均下降10.2%，最为显著，其中一个灯具C的流明下降幅度达到19.8%。D和E的颜色稳定性最好，平均色漂移（∆u′v′）分别为0.001和0.002。C的色漂移为0.003；A的色漂移为0.004，相关色温的变化均超过100K，颜色变化最为明显。灯具A为荧光粉LED和红色LED的混合灯具，根据光谱测量数据，颜色的漂移可能是由于蓝色波段（最大波长450nm）及黄绿波段(最大波长545nm)辐射通量的增加而导致，而红色LED（最大波长628nm）的辐射通量出现细微下降（主波长处约3%），这也可以很好地解释其光通量的上升。
        2. 锤炼试验结果
        共17只灯具，测试40轮（1680h），各灯具试验时间不同，最长为1470h，测试结束后，共12只灯具失效，第一次失效与最长失效时间均如图4所示。

图4的数据还采用Weibull分布函数进行分析，这是现下产品寿命评估使用最为普遍的工具，如下式所示：
        F(t) =1-exp(-t/η)β                      （5）
        F(t)—时间t时，失效样本占总样本的比例；β—Weibull形状参数，β=1为随机失效，β>1为损耗失效，t—时间;η—Weibull范围参数，随机失效情况下，暗示了失效分布的宽度。Weibull分布函数见图5，Weibull形状参数β=1.935，范围参数η为995.9，表明试验灯具的失效为图1所示的损耗失效。

图5 Weibull 分布函数

（四） LED灯具的失效模式以及各组件的性能表现
        1.失效模式
        LSRC联合灯具制造商，对失效产品的失效原因进行了分析，结果如图6所示，灯具的失效主要是由灯具的驱动电路、PCB板和连接焊件的失效所引起。失效的12个灯具中，基板失效占据了一半，灯帽、焊接及其他部件失效各占1/6，失效均与LED光源无关。
整个试验中，各组件几乎在其所宣称的极限条件下工作，或者参考现有文献[2-9]，施以加速应力，但其实际性能表现与文献报道并非完全相同。

图6 锤炼试验灯具的失效分布图

2.各组件的性能表现

（1）LED光源
       锤炼试验，特别是高温试验通过环境温度影响LED的结温，使其结温上升，从而考察LED光源以及其他部件在高温环境下的耐受性。
       在受试的17个灯具中，所有灯具的热阻（θjs）均小于18℃/W，如果高亮度LED的功耗为1.5W（500mA, 3V），则LED结温与焊接点（Solder point）之间的温差在27℃以内。那么，高亮度（500~1000mA）LED的结温在高温试验中可保持在152℃以内，该值刚好是其指定的最大结温限值。同样条件下，中等功率（100~300mA）LED的结温最高可达135℃，比指定最大工作温度高10℃，即所有LED光源均在其指定的最大结温或以上的温度工作。
       在上述的试验条件下，17个灯具共611颗LED光源中，4颗LED光源失效，其中，一个高亮度LED光源因基板连接处一个敞开的焊接点导致失效；一个高亮度LED由PCB板引起失效，推测是焊接疲劳所导致；最后两个相邻的中功率LED的失效是由基板腐蚀所引起。综上，所有LED的失效均为灾难性失效，虽然各光源的流明维持数据未进行测量，但所有安装这些光源的灯具的流明维持性能均在L70要求以上，这一结果可以很好地说明LED光源的良好表现，这也可能与光源的LM-80试验有关，一般该试验可以很好地剔除一部分失效光源。
      （2）光学管理系统
       所有LED灯具均具有其独特的光学管理系统，使其光分布或光形符合设计及应用要求。光学管理系统一般包括焊接防护罩、LED光源和其他部件、反射器、漫射器以及镜片等。在老炼过程中，这些部件的相对吸收、反射以及透射特性均会发生变化，进而影响灯具的光输出，如果上述的各种变化具有波长选择性，则会进一步引发灯具的色漂移。
       本次锤炼试验所选用的灯具样本不仅具有不同设计形式，且灯具的光学器件、材料均有所不同。由于D、E和F灯具所采用的塑料反射器不耐高温，因此在高温试验时移除，测试时再装上。其他4类灯具的光学器件均可耐高温，但材质不同，有些是丙烯酸塑料（Acrylics），有些是聚碳酸酯材料。一般聚碳酸酯的吸收特性会在锤炼试验过程中上升，刚开始在蓝光区域比较明显，长时间曝辐会使该趋势慢慢延伸至其他波长。相反地，丙烯酸材料的变化相对较小。图7分别为聚碳酸酯6寸筒灯透镜及扩散膜的透射率锤炼实验前后变化图。

图7 聚碳酸酯6 寸筒灯透镜（上）及扩散膜（下）的透射率锤炼
实验前后变化

图7蓝光区域的吸收率上升可能会导致灯具颜色漂移，漂移值是由LED光源与光学管理系统共同决定的，但都受锤炼试验时间的影响。在第10轮锤炼试验结束之后，D和G的色漂移最小，∆u′v′为0.0004，C的色漂移为0.0009。相反地，A、B、E和F的色漂移分别为0.003~0.005不等。锤炼试验，特别是高温试验是通过环境温度影响LED的结温，使其结温上升，从而考察LED光源以及其他部件在高温环境下的耐受性。对于E和F灯具，颜色漂移可能是由LED基板上焊接外壳的褪色引起的。
       （3）电源管理系统
       电源管理系统包括LED驱动、LED光源和热管理系统。其中，热管理系统对LED的可靠性起到关键作用，可利用结温和热阻等表征。电源管理系统中，驱动与LED基板之间的驱动电路和连接器是主要失效模式，虽然有文献报道电解电容器是电源电路的薄弱环节[10]，但此次锤炼试验证实并非如此，失效的电容器均为薄膜电容器，无一电解电容器。

        三、小结

        为了适应SSL技术的飞速发展，实现其节能潜力，照明工业领域亟需了解灯具的潜在失效模式。根据现有的荧光灯与Philips L-Prize LED灯可靠性对比报告[11]，LED灯具有更好的可靠性。此次锤炼试验也证实所有的试验灯具均通过了100轮的高强度应力试验，达到了预期的耐久性期许，且过半的灯具经过了300轮应力试验后仍能够存活。
        在灯具的失效模式中，以驱动电路和基板最为普遍，表明了LED光源的良好可靠性，也进一步说明，SSL灯具长期性能的评价需要系统性地考虑LED光源、驱动、光学器件以及其他部件的可靠性。该试验报告为LED灯具可靠性和寿命评价提供了重要的依据，与此相关的器件损耗机理、失效模式量化分析以及灯具加速因数，LSRC认为还有待进一步研究，将对LED灯具寿命的评价和理解产生深远的影响，值得各界关注，也将持续跟踪报道。