LED燈具的可靠性分析

【摘要】通過對LED燈具的相關研究，總結分析了影響LED燈具壽命的主要因素，包括LED光源和驅動電源等，并對提高LED燈具壽命的幾種有效途徑進行了說明，對提高LED燈具可靠性有很大的意義。

【關鍵詞】LED;可靠性;驅動電源;散熱

1.引言

隨著LED技術的飛速發展，LED燈具已經被人們廣泛認可，發展潛力巨大，但是，目前還存在著標準和檢測體系不完善的問題，導致市場上LED燈具的質量參差不齊，與理論上LED燈具的高可靠性有很大的差距，很大程度的限制了LED燈具更好的發展。本文主要對影響LED燈具的主要因素進行分析，并對提高LED燈具壽命的途徑進行了說明。

2.影響LED燈具壽命的主要因素分析

LED燈具是由LED光源、驅動電源、散熱部件以及透鏡組合而成。通過以3WLED球泡燈為樣品，在市場上選用多種品牌LED燈，進行高溫老化實驗和過流老化實驗，實驗結果顯示，目前市場上一部分燈具的壽命是由LED光源的光衰和色衰引起的，另一部分燈具的壽命是由驅動電源的壽命決定，還有一小部分是由其他原因引起，如透鏡的損壞導致了LED燈具無法使用。

2.1 LED光源影響LED燈具壽命

對于LED光源本身，它的壽命非常長，但是，LED光源總要裝在燈具中才能使用，LED單獨作用和LED在燈具中工作是有差距的[1]，從工作環境，電參數，熱參數等方面都是有差別的。經過分析，LED光源的失效主要有以下幾種失效模式，這幾種失效模式中有任何一種失效模式出現，都會造成不同程度的LED失效，也可能同時引發其他的失效模式出現，進而加劇LED的失效。

（1）過熱應力失效：是由于LED內部的溫度大于其額定工作值或由于LED周期性的熱量變化而引起的LED失效;

（2）封裝失效：是在LED生產或者封裝的過程中，由于方法不正確或其他原因而引起的LED失效;

（3）過電應力失效：是由于LED工作中的瞬時過高電流或承受高于額定電流值的參數而引起的LED失效;

（4）芯片失效：是LED芯片本身的缺陷或其他因素造成芯片的失效。

對LED光源來說，根據它的熱學性能分析，LED的電能中只有一小部分轉化為光能，還有大部分的電能要轉化為熱能，研究顯示，電能光能轉換的效率只有20%左右，還有大概80%的電能都轉化成熱能[2]。隨著工作溫度的上升，LED會產生光衰，從而導致失效。根據美國照明工程學會（IES）制定的LM-80標準顯示，LED光源的壽命是以光通量參數隨工作時間而衰減，通常情況，光通量衰減為初始值的70%時認為壽命終結。

2.2 驅動電源影響LED燈具壽命

對于LED燈具來說，除了LED光源的光衰問題是影響其壽命的重要參數之外，驅動電源質量的好壞也直接影響著LED壽命。驅動電源在LED燈具中的作用如心臟一樣也是一個非常重要的部分，LED燈具不像其他照明產品可以直接使用市電工作，而是需要驅動電壓在2-3V的范圍之內才能驅動，因此對驅動電路的要求很高，對于不同使用條件下的LED燈，需要配套各自適用的電源適配器。驅動電源的壽命直接影響著LED整燈的壽命，尤其是驅動電源中的關鍵器件的壽命直接影響驅動壽命，如電解電容在高溫下壽命會大大縮短，在電解電容的工作中，由于電解液的作用導致陽極金屬氧化膜不斷增厚，最終會使電容值C不斷下降，同時，隨著工作溫度及工作時間增加，電解電容中的電解液會不同程度的揮發，導致驅動電源失效。在電子元器件中，通常有“十度法則”，即器件溫度每升高10℃，則器件的壽命將會縮短1/3到1/2，因此可以看出溫度對電子元器件影響較為顯著[3]。

對驅動電源的設計一般要滿足以下幾點要求：

（1）工作穩定：驅動電源要與燈具的長壽命特性相適應，要求能長時間穩定工作。

（2）轉化效率高：電源的效率高了，可以降低它的功耗，減少燈具內部的發熱量，從而降低燈具的溫升。

（3）浪涌保護：LED抗浪涌的能力較差，特別是抗反向電壓能力較差，一定要重視驅動電源的浪涌保護。

（4）保護功能：在異常狀態下，如LED開路、短路、驅動電路故障等，電路要對自身和LED起到良好的保護作用。

2.3 其他因素影響LED燈具壽命

除了LED光源的失效和驅動電源的失效，還有一些其他因素對LED燈具壽命都有影響。如：透鏡在不同環境中容易受損或變形，導致LED燈具無法正常使用;封裝的不合理導致LED整燈結構損壞，無法使用;防護措施不到位，使得潮濕、灰塵等因素對LED燈具的使用有很大影響。

3.提高LED燈具壽命的途徑

3.1 提高LED光源的壽命

（1）對封裝材料的質量嚴格把關，如導電膠、硅膠、熒光粉、環氧、固晶材料、基座等。

（2）封裝結構合理設計，比如不合理的封裝會產生應力、引起斷裂等。

（3）提高工藝技術，比如固化溫度、壓焊、封膠、裝片和時間等都要嚴格按照要求進行。

3.2 提高驅動電源的壽命

（1）選擇高品質、長壽命的電容是提高驅動電源壽命的有效途徑。

（2）降低流過電容的紋波電流和工作電壓。

（3）提高電源驅動的效率，降低元件的熱阻。

（4）做好防水處理等防護措施，同時要注重導熱膠的選擇。

3.3 解決好散熱問題

溫度對LED照明產品的壽命影響很大，散熱設計的好壞是LED燈具壽命的一個關鍵因素。用同等質量的芯片放入不同設計的燈具中，壽命相差很大，甚至能達到幾十倍，所以，一種燈具的設計成功與否，除光路系統以外，其散熱系統起著決定性作用。

對LED燈具的設計要求熱阻比較低[4]。LED散熱一般包括系統級散熱以及封裝級散熱，要降低燈具熱阻就必須同時考慮這兩種散熱，封裝級散熱是在LED光源生產的過程中通過對封裝材料、封裝結構以及工藝水平的設計從而達到散熱的目的。在封裝散熱設計方面，目前主要存在的有硅基倒裝芯片結構，金屬電路板結構散熱，有固晶材料，環氧樹脂等材料散熱。系統級級散熱主要是通過對相關技術的研究，從而對散熱器進行創新和改進，隨著大功率LED的普及，功率也越來越大，目前，系統級散熱主要有熱電制冷散熱、熱管散熱和風冷強制散熱等方法結構。

解決好散熱問題是提高LED燈具壽命的有效途徑，需要進一步的研究和創新。

4.小結

面對市場上LED燈具質量的問題，結合相關實驗，對影響LED燈具壽命的主要因素進行了分析，主要存在LED光源引起的失效，LED驅動電源引起的失效，還有一些其他因素引起的失效。最后對有效提高LED燈具壽命的幾種途徑進行了說明，對LED燈具壽命的提高以及質量的保證有很大的意義。

參考文獻

[1]陳超中，施曉紅，等.LED燈具特性及其標準解析[J].中國標準化，2011.9.

[2]毛興武，毛涵月，王佳寧，等.LED照明驅動電源與燈具設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.5.

[3]毛昭祺，Marshall Miles，羅長春，等.提高LED驅動電源壽命和可靠性的方法[J].照明工程學報，2010.21（12）：38-40.

[4]周龍早.半導體照明封裝的熱量管理及失效分析研究[D].武漢：華中科技大學，2010.

基金項目：咸陽職業技術學院基金項目（項目編號：2013KYA05）。

作者簡介：魏嬌（1987—），陜西咸陽人，碩士，助教，研究方向：光電子技術。