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LED加速寿命和可靠性试验
时间:2022-01-24 22:22:04

1. 概述

随着近年来LED光效的不断提升,LED寿命和可靠性越来越受到业界的重视,它是LED产品最重要的性能之一。寿命是可靠性的终极表现,然而LED的理论寿命很长,像传统光源采用2h45min开、15min关的循环测试到寿命终了,对LED产品的测量显然不现实。因此有必要对LED产品采用加速老化寿命试验[1],同时,也应当测试LED的热学特性、环境耐候性、电磁兼容抗扰度等与寿命和可靠性密切相关的性能,以综合分析LED的寿命。

2. LED可靠性和寿命相关的关键指标

LED产品制造中的每一个元件和环节都会对其可靠性和寿命产生影响,例如,LED结和基板的虚焊、LED荧光粉的热猝灭和退化、封装材料的退化以及驱动器的失效等,最后退化的可能才是半导体(PN结)本身。这些因素导致LED产品失效(退化)的方式也不尽相同,一般可分为缓变退化(gradual degradation)和瞬变退化(abrupt degradation)。

LED的缓变退化(失效)指标主要包括:

流明维持率下降,即光衰,一般以初始光通量为100%,当LED产品的流明维持率下降到初始值的70%或50%时,认为LED失效,流明维持寿命相应记为L50或L70;

颜色漂移,受到荧光粉或封装材料的变化,LED的颜色会在寿命期间内发生漂移,该漂移应在指定范围以内(如△u’v’≤0.007),超过范围则视为LED失效;

电性能变化,电性能变化能更为直观地监测;

开关次数,开关可能会对驱动等电路产生一定影响;

热阻变化和其它热特性参数曲线,热特性与寿命息息相关,对热特性的测量和分析有助于找出LED可靠性的薄弱环节;

LED的瞬变退化(失效)即LED的光输出突然降为0,其主要退化包括:抗电磁干扰能力:静电放电、雷击浪涌、快速群脉冲、周波跌落;高低温冲击耐受性特性;盐雾、耐湿、振动等。

3. 相关标准要求

针对LED的主要缓变退化,国际上已有相关标准相继发布,以是北美体系和国际照明委员会(IEC)体系最为典型,我国标准则基本融合了这两个体系。

•ENERGY STAR? Program Requirements Product Specification Eligibility Criteria ;

•IES LM-80-08 Approved Method for Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources;

•IES TM-21-11 Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Packages

•IEC/PAS 62717 LED modules for general lighting – Performance requirements

•EC/PAS 62722-2-1 Luminaire Performance –Part 2-1: Particular requirements for LED luminaires

•我国的GB/T 24824、GB/T24823、QB/T4057等

•我国的GB/T XXXX LED加速寿命试验方法(尚未发布)

3. 北美体系和IEC系统对LED寿命和寿命试验方法的要求

北美体系和IEC系统在对LED产品的寿命要求和试验方法方面都有所区别,但针对于LED灯具寿命的评估,二者都提出直接老化测试灯具,或根据封装LED、LED模块等的老化试验进行推算。

3.1 北美体系

如表1所示,Energy Star将对LED灯具寿命的试验方法分为选项1和选项2,其中,选项1是通过测试光源推导灯具的寿命;而选项2仅适用于光源和灯具不可分的一体化灯具,直接测试灯具的光通维持率。选项1,L70(6k)的表示是指,利用6000h(6K)的老化测试推导出的流明维持寿命L70的时间。

表1:美国“Energy Star(能源之星)”对LED灯具寿命的要求

现对LM-80 和TM-21两个标准的要求总结如下:

适用范围:LED封装、模块、阵列等;

考察对象:只考察光通维持寿命,即缓变失效因素

老化温度:指定点壳温(Ts)为55℃,85℃和第三个指定温度,三个温度覆盖灯具中LED光源的Ts温度。

老化时间:6000h,推荐10000h;

样本数量要求及其与外推寿命时间的关系:20个以上样品,外推寿命最高为老化时间的6倍;10-19个,外推寿命最高为老化时间的5.5倍;

光色参数测试时间:至少每1000h测量一次;

对突然失效的处理:观察记录,调查确认突然失效是因为光源本身原因;

记录颜色衰变:有;

数据记录:每个LED的光通维持、中间值、标准偏差、最小和最大光通维持率值;

曲线拟合:1. 以初始值为1,归一化光通维持率;

2. 在每个测量点,求得测试样品归一值的平均值;

3. 数据要求:不采用小于1000h内的测量数据;老化6000h-10000h,至少用5000h的数据;大于10000h,用最后50%的数据。

外推计算:推荐指数模型。

3.2 IEC体系

IEC体系中用Lx Fy 来表征LED产品的寿命,其中,Lx表示光通量维持率,如L70;Fy表示失效率,包括缓变失效率By和瞬变失效率Cy。例如:L70F50为30000h是指:50%的模块在30000h后的光通维持率在70%以下。

对于普通照明用的白光LED产品,IEC并不强调对声称的寿命进行验证,而是对限定时间的流明维持率进行分级。

IEC 中对LED模块和灯具的光通维持率测试如表2所示。特别注意的是IEC体系中,LED模块或灯具的瞬变失效和缓变失效是要在最终的Fy指标上体现出来的。对于一组LED模块,按试验样品20个计算,若声称F50,则至少n-2个模块通过;若声称F10,则n个模块全部通过试验。

老化试验中的温度也特别值得关注。LED模块老化应在外壳指定点为Tp温度下老化,相当于北美体系中的Ts;而灯具则在环境温度Tq下考察其性能,并且应确保在声称的Tq max下, 模块温度Tp不会超过。

4. 加速老化和寿命测试系统

对于加速老化和寿命的测试,无论采用北美体系或IEC体系,其硬件测量装置基本相同,一般主要包括恒温试验箱、多路电源、多路温度巡检仪等。目前国内外对于LED加速老化和寿命测试系统的研制也十分关注。由于LED光源或灯具的光色性能需在室温(25℃±1℃)条件下测量,因此国外典型设备一般需要和积分球光谱仪系统结合起来,在LED老化到一定时间后冷却恒温箱内温度,并将被测LED取出到积分球系统中进行光色测量。该操作过程很繁琐,若测试间隔时间较短,则整个老化测试十分费时费力,而当测试间隔较长是,则不能及时反映LED光色参数的变化过程,被测LED的失效时间的记录误差较大。

关键词: LED 寿命 可靠性试验

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