LED加速寿命和可靠性试验

1. 概述

随着近年来LED光效的不断提升，LED的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。

在我国863计划课题的支持下，杭州远方光电通过自主创新，开发了即加速老化和光色测试于一体的测试系统，如图1所示为系统照片。系统具备90个功位，可分三温区同时老化测试90个被测LED(30个×3)，其结构主要特点是在恒温箱中设置光信号取样装置，并与光色测量设备相连，被测LED的光色参数可在箱内直接而不需要取出测量，可全自动实现老化测试以及数据分析。使得原本漫长而繁复的LED老化、寿命试验和温度试验变得十分的简单与轻松，数据更为精确可靠。设备含有多项远方公司独有的专利技术，整个设备设计整体性好，美观大方，无论是使用者还是评估者，无论是内在还是外观，都会让人信服。

利用上述测量装置，还可在不同的环境温度下(高温状态)，测量被测LED的光色度，获得LED光度-环境温度曲线(温度特性试验)。图2为典型的LED 相对光通量随环境温度的变化曲线，满足IES LM-82-11[2]以及关于CFL[3]的国内外标准的要求。

5. 小结

影响LED产品寿命和可靠性的因素有很多，相关的测试也较为复杂，其中最重要的是光通维持率测试，虽然已出台的国际标准要求不尽相同，但基本的试验方法和装置要求基本相同。在国家863课题的支持下，我国已自主开发了具有高智能化的加速老化和寿命测试系统，使我国工业界能够进行操作简便、高精度、低成本的光通维持寿命检测，同时该系统还可测试光色参数随环境温度变化的曲线，满足最新国际标准要求即发展趋势。此外，我国在LED的热电光综合分析系统和电磁兼容测试等方面也取得了诸多突破，建立了LED可靠性预测机制及BP(Back Propagation)神经网络模型[4]，为更全面地考察LED的寿命和可靠性提供了技术支持和装备保障。