电流和温度应力对LED球泡灯可靠性的影响 
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1 引言
作为新一代固态照明光源,白光发光二极管(LED)具有寿命长、成本低、功耗小和绿色环保等优点,已经广泛应用于室内照明、景观照明、道路照明以及商用照明等方面,其发光效率可达150 lm·W,寿命超过10万h[1],白光LED根据照明用途不同而采用不同的灯具结构,从而影响LED灯的寿命。
LED灯具由LED光源、散热结构、驱动电源、光学元件以及部分机械部件等构成,LED灯的整体寿命除了与LED光源的寿命有关外,还与驱动电源和散热结构有关[2]。特别在大工作电流下和散热不良的环境下容易导致芯片结温过高和荧光粉胶体老化等问题,所以加大工作环境温度范围可以提供与温度相关的散热不足等条件的加速应力,改变器件工作电流可以提供电流损伤或电流高负荷等的加速应力。基于电流-温度共同应力对LED芯片及其灯具的可靠性研究具有重要的实际意义[3]。邹水平等[4]研究了电流和温度对LED可靠性的影响,发现电流应力主要影响荧光粉的转化效率,温度应力主要影响LED芯片的可靠性。王健等[5]的研究表明温度和电流均会导致白光LED发光效率降低,但并没有对LED进行老化可靠性研究。肖承地等[6]单纯从数学统计的角度建立了多应力模型寿命计算的表达式和退化机理一致性检验的计算表达式。Wagner等[7]研究了LED在温度和电流加速应力下老化14000 h后光通量的变化,采用外推法预测光谱变化及其老化特征。对电流拥挤效应下的GaN芯片进行了详细的研究分析,结果发现大电流会带来严重的封装老化,产生拓展性的缺陷[8-9]。钱敏华等[10]通过大量理论计算得出了LED的输出光通量、输入电功率、结温和寿命之间的内在关系,由此找到最好的LED工作点。杨少华等[11]则从LED芯片封装结构上分析得出欧姆接触退化电极键合不良、热阻过大、封装材料的膨胀系数不匹配和静电损伤等是导致LED器件失效的主要原因。Chan等[12]以IES LM80-08标准老化6000 h,并通过模拟计算电流应力和LED结温的关系,提出电流和环境温度双应力的老化加速模型的想法。LED普遍照明灯具的有效寿命定义为在特定条件下,光通量衰减至原始值的70%时的工作时间(
综上所述,探究 LED 的失效模式与失效机理要综合考虑 LED 芯片结构、封装材料、封装结构、散热设计等多个方面。电流和温度是影响LED可靠性的主要因素,由于电流损伤、高结温、散热不良、荧光粉胶体老化等是导致LED失效的主要原因[16-19]。但大多数研究都针对LED光源部分进行可靠性分析,并且基本上采用电流单应力或者温度单应力的可靠性分析方法,很少针对LED球泡灯或其他类型LED灯具进行可靠性分析。
本文主要研究了电流和温度应力及二者共同作用时对LED球泡灯可靠性的影响,分析各应力下LED球泡灯的光通量、色坐标、色温、显色指数、发射光谱及灯具结构的变化,并讨论相关失效机理。在电流单应力加速下,失效方式主要表现为蓝光芯片的退化;随电流应力的增大,荧光粉退化逐渐变为主要的失效方式,由于高电流产生高强度蓝光,激发荧光粉和高电流驱动时灯具散热不足导致LED光源温度过高等因素造成了荧光粉的失效严重。温度应力或电流-温度联合应力作用下,LED球泡灯整体失效严重,荧光胶体出现严重黑化现象,此外,灯具、驱动电源、LED支架和铝基板等都出现黄化和变黑。对比电流、温度以及电流-温度联合应力等应力加速老化,结果显示:电流应力对LED球泡灯的失效影响适中,选用电流单应力老化数据并采用外推法来预测LED球泡灯的寿命。
2 实验
选取市场上某品牌的同批次白光LED,采用“6串联5并联”连接方式构成LED球泡灯的光源模组(如
图 1. LED球泡灯的发射光谱及其LED光源模组
Fig. 1. Emission spectrum of LED bulbs and photograph of LED light source module
图 2. 室温下不同电流驱动LED球泡灯光通量维持率
Fig. 2. Luminous flux maintenance of LED bulbs under different currents at room temperature
3 结果与讨论
首先研究电流单应力对LED球泡灯可靠性的影响,老化时间持续9000 h,工作电流为300,350,450 mA的LED灯具,当光通量衰减至原始光通量的70%时,进行55 ℃高温和温度-电流双应力的老化实验。该实验可加快得到长寿命灯具的衰减规律,提高了对LED灯具的研究效率。
3.1 电流单应力实验
在电流单应力老化实验条件下,从
LED球泡灯的色坐标、色温和显色指数等特性随老化时间的变化如
图 3. 室温下LED球泡灯在不同电流下的性能随老化时间的变化。(a)色坐标;(b)色温;(c)显示指数;(d)荧光粉黄光与芯片蓝光发射强度的比值
Fig. 3. Performances of LED bulbs versus aging time under different currents at room temperature. (a) Chromaticity coordinates; (b) color temperature; (c) color rendering index; (d) emission intensity ratio between yellow phosphor and blue chip
进一步将LED球泡灯进行拆解,分别测试不同电流应力下LED球泡灯的红外热分布。由于芯片表面硅胶热辐射系数未知,该红外热分布的温度仅表示相对值,故在大电流下球泡灯铝基板和芯片表面可以承受更高的温度应力。将光源模组中的芯片拆解进行单个蓝光芯片的
图 4. 室温下LED球泡灯的光源模组在不同电流下的老化效果。(a)外观图;(b)红外热分布图;(c)驱动电源底座外观图
Fig. 4. Aging effects of light source module of LED bulbs under different currents at room temperature. (a) Appearance; (b) infrared thermal imaging; (c) substrate of driving power
图 5. 室温下不同电流老化后的芯片I-V特性
Fig. 5. I-V characteristics of chips aged under different currents at room temperature
3.2 电流-温度双应力实验
在电流单应力研究基础上,加入温度老化因子,进行电流-温度联合应力的LED球泡灯老化实验。将250,300,350,450 mA电流驱动的灯具放入55 ℃的高温老化箱内进行电流-温度双应力老化实验,结果发现在250 mA与55 ℃的电流-温度联合应力作用下,球泡灯光通量衰减明显加快,老化6720 h后,光通量衰减至原始值的54.34%,相比于电流单应力情况下250 mA驱动的球泡灯光通量衰减只有初始值的83.41%。而55 ℃时在300,350,450 mA驱动电流下的球泡灯的光通量分别衰减至44.87%,35.31%,19.47%。因大电流和高温双应力作用下球泡灯失效严重,因此,选取250 mA和300 mA驱动电流与温度应力进行研究。
图 6. 55 ℃温度下LED球泡灯在不同电流下的特性。(a)光通量维持率;(b)色坐标;(c)色温;(d)显示指数
Fig. 6. Characteristics of LED bulbs under different currents at 55 ℃. (a) Luminous flux maintenance; (b) chromaticity coordinates; (c) color temperature; (d) color rendering index
图 7. 温度-电流应力对LED球泡灯特性的影响。(a)荧光粉黄光与芯片蓝光发射强度比;(b)芯片I-V曲线图与驱动电源底座外观图
Fig. 7. Effect of joint temperature-current stress on characteristic of LED bulbs. (a) Emission intensity ratio between yellow phosphor and blue chip; (b) I-V curves of chips and substrate of driving power
在电流单应力实验中,仅在大电流450 mA情况下色坐标、色温和显色指数才发生严重偏移,小电流250 mA和300 mA保持较稳定;而比较
图 8. 55 ℃温度-电流应力对LED球泡灯特性的影响。(a)光源模组的老化图和光谱变化图;(b)光源模组的红外热分布图
Fig. 8. Effect of joint temperature-current stress on characteristics of LED bulbs at 55 ℃ temperature. (a) Aging photographs of light source modules and spectral changes; (b) infrared thermal distributions of light source modules
3.3 电流单应力实验加速LED球泡灯老化的寿命预测
电流-温度双应力老化加速实验是基于单应力实验上的更为快速更复杂的老化实验,不能单独将温度单应力的老化情况或者电流单应力老化情况相加或者相乘作为双应力与灯具老化之间的关系,双应力之间存在一定相互影响的作用[23-24]。本研究通过电流、温度和电流-温度双应力等分别作用LED球泡灯进行失效分析,研究了LED球泡灯的光通量、色坐标、色温、显色指数、光谱、伏安特性和灯具的红外热分布等光电性能的变化规律,结果发现电流作为单应力老化实验时不但能产生电流应力,同时在大电流情况下工作温度上升还会产生温度应力。因此,电流应力对LED的可靠性分析具有重要的应用价值。基于老化数据和已有的寿命预测模型,对不同电流大小的LED球泡灯进行寿命预测。研究认为,电流单应力寿命模型相比于温度单应力下寿命预测模型更适用于LED球泡灯的实际老化寿命,与上文研究内容相互印证。
老化6720 h后,正常工作电流250 mA、加速老化电流为300,350,450 mA的灯具光通量分别衰减至83.41%,73.04%,68.96%,52.21%,根据以
式中:
表 1. 不同电流应力下的老化寿命
Table 1. Aging lifetimes under different current stresses
|
通过
式中:
表 2. LED灯具拟合幂指数n和预测正常工作的寿命
Table 2. Fitted power exponent n and predicted normal working lifetime of LED device
|
结果显示电流为300,350,450 mA的灯具样品在正常工作250 mA电流时的寿命分别为7189,7217,7185 h,3组加速老化寿命预测值误差较小。并且通过
4 结论
对LED球泡灯在温度、电流单应力和温度-电流双应力作用下进行老化可靠性实验,通过光通量、色坐标、色温、显色指数、发射光谱及其灯具结构的变化来讨论失效机理。大电流会造成芯片光电特性衰减,电流过大同时带来大热量造成荧光粉退化;温度-电流双应力老化能加速灯具老化,在高温和大电流条件下造成荧光粉退化更严重。将LED灯具结构引起的散热性能不佳和硫化可能性考虑进失效机理中,高温老化过程中荧光粉胶体和灯具支架、铝基板等均出现黄化现象,更贴切实际LED芯片应用情况。最终在不同的电流应力下基于外推法预测出灯具老化寿命。本文采用了比温度或电流单应力实验更加完善的老化实验,研究了电流和温度对LED球泡灯可靠性的影响,进行了更透彻的失效机理分析,为LED产业提供理论支持,具有实际应用价值。
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