照明用功率LED的加速寿命试验
0 引言
自2000年以来,照明用功率发光二极管(LED)发展非常迅速。随着LED成本的降低、功率和发光效率的提高,其节能、环保、长寿命的优点更加突显,在移动照明、景观照明、LED路灯等方面开始了广泛的应用。预计在2010年后,照明用白光LED将进入普通家用照明领域,其市场潜力十分巨大。对于使用寿命达5万小时的功率LED,用常规的寿命试验方法需要连续工作6年才能评价其寿命,显然是行不通的。国外厂家一般以10 000 h的寿命试验数据作为评估依据。本文根据近年来对国内外多种功率LED在不同应力下的寿命试验的结果,提出了一种实用的加速寿命试验方法,可以用较少的样品在较短的时间内评估功率LED的长期使用寿命。
1 LED的退化规律
LED的早期失效模式主要是开路和短路失效,与芯片的封装工艺有关,通过电老化、温冲试验和瞬态热阻测试可以有效地剔除早期失效产品。正常的LED在使用过程中存在着光输出功率随时间缓慢退化的失效模式。根据文献报道,LED输出功率与工作时间的关系可以用下式表示[1-2]:
式中,P0为初始光功率(或光通量),t为某一结温下的工作时间,β为某一结温下的退化系数,Pt为某一结温下工作t时间后的光功率(或光通量)。式(1)被广泛用来描述各种LED的长期退化规律。表1列出了LUMILEDS公司1 W白光LED在环境温度(Ta)为100℃时,工作3 000 h的加速试验结果。对数据进行拟合,所得结果与式(1)吻合较好。
试验样品数量5只,为LUMILEDS公司2007年LUXEON系列1 W白光LED产品,该批产品光电参数一致性较好,本身带有菊花状小散热片。经测试,其结到壳的热阻约为18℃/W。在室温(25℃)下加350 mA电流时,壳温约70℃,结温约为88℃。加速试验在100℃的高温箱中进行,结温推算为163℃。通过阿伦尼斯加速方程,可以求得加速系数τ:
如激活能EA按0.5 eV保守估算,则τ=105039×0.5×1361-1436≈16。通常定义,光通量Pt衰减到初始值70%的工作时间为LED的有效寿命,记为L0.7。故该批1 W白光LED在环境温度25℃下的使用寿命L0.7=3 000 h×16≈48 000 h,与LUMILEDS公司手册中给出的50 000 h基本吻合。
2 照明用功率LED的寿命预计方法
国外主要厂商对其生产的照明用功率LED,通常给出了5~8万小时的预计寿命,但要求用户使用时结温不超过80~90℃,当用户在较高结温下使用时(如夏季的LED路灯),其使用寿命将缩短,故控制结温非常重要。LUMILEDS公司对其照明用LED产品都进行过不同电流、不同壳温下5 000 h~10 000 h的长期寿命试验,也发现了LED光输出的衰减与试验时间大概成对数关系[3]。据此对每种产品给出了一组外推曲线,延伸到50 000 h左右,用户可根据工作电流和使用壳温方便地估算LED的使用寿命。虽然LUMILEDS公司没有给出每种产品的激活能数据,但从文献[3]中的曲线可以反推出激活能EA在0.5~1.0 eV(与LED的结构和工艺有关)。保守地估计,对于单批加速寿命试验,选择EA=0.5 eV进行寿命评估比较适宜,必要时可以追加1~2组试验,求出EA后可以进行更精确的寿命预计。
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