LED球泡燈高溫老化實驗研究

聶李迅 趙宇飛 楊凱 劉舒捷

摘 要：隨著LED市場占有率的不斷擴大，其可靠性評估技術也越來越受到人們的關注。本文針對LED球泡燈進行了溫度老化試驗，分析了燈具的失效模式和失效機理。對LED在高溫下加速壽命試驗的光譜分析數據進行整理，繪出光通量、色溫、色坐標以及主波長的變化曲線。最后利用光功率衰減模型對測試數據進行處理，用威布爾分布模型對LED進行壽命剖析。

關鍵詞：LED 球泡燈；可靠性試驗；壽命

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.120

1 引言

隨著人類社會和工業化的發展，全球能源供給問題日漸突出，伴隨LED照明技術的發展，其市場滲透率不斷提高，已成為未來公認的照明光源[1]。在LED發光過程中，約70-80%的輸入電能轉換為熱量，高溫對LED燈具的使用壽命和可靠性影響很大，熱量的集聚會導致LED芯片溫度過高，損傷pn結，熒光粉也會加速老化，使燈具的整體壽命降低、光效下降。Meneghini等和Shin等針對大功率白光LED進行了溫度應力分析，發現除了降低熒光粉發光效率，提高燈珠色溫外，高溫還會導致封裝材料的碳化，減少光的輸出。

2 LED燈具溫度應力壽命試驗理論

對于電子器件來說，從開始工作到失效的時長可定義為壽命，取為產品的失效率，為產品的失效密度函數。威布爾分布函數從產品最弱元件定義產品的壽命，具有很好的兼容性，其分布函數和密度函數表示為：

（1）

其中，為不同應力下描述函數曲線形狀的參數，為尺度參數。可靠度為時的壽命為：

（2）

3 溫度老化試驗

3.1 試驗方案

選取某型號LED球泡燈（日光色，3W，5700k）作為樣品，用溫度作為加速應力，測試其在高溫（85℃）環境中的可靠性。本試驗的失效判據為：光通量衰減至初值的90%作為偽失效標準。試驗中采用恒溫干燥箱加熱，測試設備為遠方YF100光色點分析系統。在試驗過程中，首先測試球泡燈的初始光電參數，然后將樣品以通電的工作狀態置于85℃的溫度加速應力下老化，加速老化總時間約為1250h，期間每隔一定時間測試樣品的光電參數。

3.2 實驗結果分析

將高溫應力加速下的燈具樣品光通量進行歸一化處理，其隨時間的變化曲線如圖1所示。經過了高溫加速壽命試驗，光通量有了明顯的下降。在試驗剛開始階段，每個燈的光通量都有一定的上升，最高的達到了初始值的1.06%。這是因為在試驗剛開始的階段，高溫退火，p型受體被進一步激活，空穴濃度上升，載流子復合概率加大，光輸出增加。試驗中后期，晶格失配位錯，缺陷更大，非輻射復合中心和電子空穴量子隧穿，最終導致光衰減。在試驗結束的時間，光通量終值比起初值都下降了20～30lm。

如圖2所示，在整個溫度應力加速的過程中，各樣品的色溫有明顯的上升趨勢，說明組合白光中黃光比例下降，而藍光比例增加，導致色溫升高。進一步分析樣品的發光光譜隨時間變化曲線，發現LED芯片的峰值波長一直穩定在450nm附近，而且只有很小的發光強度下降。這說明在單溫度應力加速下，LED芯片所受影響較小。但是在YAG黃粉發光的570nm峰值波長，其發光強度衰減較大，在85℃應力下，發光強度下降了約11.3%。而且熒光粉的整體發光強度都有比較明顯的衰減，這就造成合成白光里藍光比例增加，燈具整體色溫升高。

3.3 燈具壽命計算

利用光功率衰減模型對測試數據進行處理，用威布爾分布模型對LED進行壽命分析，用MATLAB進行數據擬合可得出LED在85℃應力條件下進行的加速試驗是符合威布爾壽命分布模型。從而可以估算出在溫度為85℃的應力下，LED產品的壽命大約為4546個小時。

4 結論

LED燈具應用范圍廣泛，往往需要在相對惡劣的環境下使用，高溫會影響燈具的可靠性，降低燈具的壽命。本章中針對高溫對LED球泡燈進行了加速應力測試，對燈具失效情況和壽命做了分析。

參考文獻：

[1]Wang，Adrian Rawlinson，Geoff Archenhold，et al.LED lighting technology：lessons from the USA[R].Report of a DTI global watch mission，March 2006：17-25.