LED 燈具失效的原因及其分析

 LED 照明產(chǎn)品失效主要表現(xiàn)為光衰嚴(yán)重（衰減到初始光輸出的70％或50%)、燈具閃爍和燈具熄滅。其失效的原因可以主要?dú)w納為 LED 光源失效和 LED 驅(qū)動(dòng)電源失效。

一、 led知識(shí)，什么是LED 光源失效

 LED 光源失效模式主要有芯片失效、封裝失效、熱過(guò)應(yīng)力失效、電過(guò)應(yīng)力失效以及裝配失效，其中尤以芯片失效和封裝失效最為常見(jiàn)。以下主要介紹芯片失效、封裝失效、熱過(guò)應(yīng)力失效、電過(guò)應(yīng)力失效四種模式。

1．芯片失效

芯片失效是指芯片本身失效或其他原因造成芯片失效。造成這種失效的原因往往有很多種。芯片裂紋是由于鍵合工藝條件不合適，造成較大的應(yīng)力，隨著熱量積累所產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力也隨之加強(qiáng)，導(dǎo)致芯片產(chǎn)生微裂紋，工作時(shí)注入的電流會(huì)進(jìn)一步加劇微裂紋使之不斷擴(kuò)大，直至器件完全失效。其次，如果芯片有源區(qū)本來(lái)就有損傷，則會(huì)導(dǎo)致在加電過(guò)程中逐漸退化直至失效，同樣也會(huì)造成燈具在使用過(guò)程中光衰嚴(yán)重直至不亮。再者，若芯片粘結(jié)工藝不良，在使用過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致芯片粘結(jié)層完全脫離粘結(jié)面而使得樣品發(fā)生開(kāi)路失效，同樣也會(huì)造成 LED 在使用過(guò)程中發(fā)生"死燈"現(xiàn)象。導(dǎo)致芯片粘結(jié)工藝不良的原因，可能是由于使用的銀漿過(guò)期或者暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、銀漿使用量過(guò)少、固化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、固晶基面被污染等。

2．封裝失效

  封裝失效是指設(shè)計(jì)或生產(chǎn)工藝不導(dǎo)致器件失效。封裝所用的環(huán)氧樹(shù)脂材料，在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生劣化問(wèn)題，致使 LED 的壽命降低。這種劣化問(wèn)題包括光透過(guò)率、折射率、膨脹系數(shù)、硬度、透水性、透氣性、填料性能等，其中尤以光透過(guò)率最為重要。有研究表明光的波長(zhǎng)越短，光透過(guò)率的劣化越嚴(yán)重，但是對(duì)于綠光以上波長(zhǎng)（即大于560nm）來(lái)說(shuō)，這種影響并不嚴(yán)重。 Lumileds 在2003年曾公布過(guò)功率 LED 白光器件和5白光器件的壽命實(shí)驗(yàn)曲線，在19000 h 后，用硅樹(shù)脂封裝的功率器件，光通量仍可維持初始的80%，而用環(huán)氧樹(shù)脂封裝的對(duì)比曲線則表示，在6000h后光通量維持率僅為50%。實(shí)驗(yàn)表明，在芯片發(fā)光效率相同的情況下，靠近芯片的環(huán)氧樹(shù)脂明顯變成黃色，繼而變成褐色。這種明顯的退化過(guò)程，主要就是由于光照和溫升引起的環(huán)氧樹(shù)脂光透過(guò)率的劣化所造成的。與此同時(shí)，在由藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉發(fā)出白光的 LED 中，封裝透鏡的褐變會(huì)影響其反射性，并且使得發(fā)出的藍(lán)光不足以激發(fā)黃色熒光粉，從而使得光效和光譜分布發(fā)生改變。

   氣密性不良導(dǎo)致產(chǎn)品高溫后失效， LED 封裝后產(chǎn)品氣密性的好壞，決定產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下使用的可靠性，因放置環(huán)境及時(shí)間的影響，導(dǎo)致產(chǎn)品吸潮。在高溫焊接時(shí)，加熱初期，微量的水蒸氣壓力使樹(shù)脂接口分層，水蒸氣的壓力隨著焊接溫度升高，使樹(shù)脂膨脹開(kāi)裂，水蒸氣透過(guò)樹(shù)脂裂痕排出，樹(shù)脂膨脹時(shí)的應(yīng)力拉斷第二焊點(diǎn)金絲

以及銀膠脫離，導(dǎo)致失效現(xiàn)象。在光電行業(yè)里 LED 的氣密性指標(biāo)是評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量水平的一個(gè)重要的指標(biāo)。產(chǎn)生氣密性不良的原因有：支架和環(huán)氧的選型是否匹配，固化條件的管控，支架表面清潔程度，特殊工藝的實(shí)施保障等。

   對(duì)于封裝而言，還有一個(gè)影響 LED 壽命的重要因素就是腐蝕。在 LED 使用中，一般引起腐蝕的主要原因是水汽滲入了封裝材料內(nèi)部，導(dǎo)致引線變質(zhì)、 PCB 銅線銹蝕。有時(shí)，隨水汽引入的導(dǎo)電離子會(huì)駐留在芯片表面，從而造成漏電。此外，封裝質(zhì)量不好的器件，在其封裝體內(nèi)部會(huì)有大量的殘留氣泡，這些殘留的氣泡同樣也會(huì)造成器件的腐蝕。

3．熱過(guò)應(yīng)力失效

   溫度一直是影響 LED 光學(xué)性質(zhì)的重要因素，而在研究 LED 失效模式的時(shí)候，國(guó)內(nèi)外學(xué)者考慮到將工作環(huán)境溫度作為加速應(yīng)力，來(lái)進(jìn)行 LED 加速壽命實(shí)驗(yàn)。這是因?yàn)樵?LED 系統(tǒng)熱阻不變的前提下，封裝引腳焊接點(diǎn)的溫度升高，則結(jié)溫也會(huì)隨之升高，從而導(dǎo)致 LED 提前失效。

  Hsu 等人對(duì)不同廠商所提供的 LED 樣品進(jìn)行加速壽命實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)將 led 樣品分別置于80℃、100℃、120℃下，使用3.2V電壓驅(qū)動(dòng)，并且規(guī)定當(dāng)樣品的光功率下降到起始值的50％時(shí)，即判定為失效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高功率 LED 的壽命隨著加速壽命實(shí)驗(yàn)溫度的升高以及加速時(shí)間的增加而減小。在加速壽命實(shí)驗(yàn)中， LED 結(jié)溫升高會(huì)使得環(huán)氧樹(shù)脂材料發(fā)生異變，從而增加了系統(tǒng)的熱阻，使得芯片與封裝之間的受熱表面發(fā)生退化，最終導(dǎo)致封裝失效。

4．電過(guò)應(yīng)力失效

   LED 若在過(guò)電流的情況下使用或者靜電沖擊損傷了芯片，都會(huì)造成芯片開(kāi)路，形成電過(guò)應(yīng)力失效，例如， GaN 是寬禁帶材料，電阻率較高。如果使用該類芯片，在生產(chǎn)過(guò)程中因靜電產(chǎn)生的感生電荷不易消失，當(dāng)其累積到相當(dāng)?shù)某潭葧r(shí)，可以產(chǎn)生很高的靜電電壓，該電壓一旦超過(guò)材料的承受能力，就會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電，使得器件失效。

  LED 光源的壽命主要表現(xiàn)為光衰，通常把 LED 光輸出衰減到初始光輸出的70％或50％作為判斷壽命失效的指標(biāo)，即光通量維持壽命。由于 LED 是高可靠性器件，壽命一般都會(huì)超過(guò)幾千小時(shí)甚至是一萬(wàn)多小時(shí)，直接測(cè)量等待光衰到指定值的做法在工業(yè)上的應(yīng)用十分困難。固態(tài)照明系統(tǒng)的可靠性是一個(gè)非常重要的參數(shù)，一個(gè)完備的固態(tài)照明系統(tǒng)應(yīng)該具備高質(zhì)量、高可靠性、低失效率、高壽命等特征。

二、LED 驅(qū)動(dòng)電源失效

   相對(duì)于 LED 光源來(lái)說(shuō)， LED 驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，需要權(quán)衡的地方會(huì)更多，使得 LED 驅(qū)動(dòng)電源往往比 LED 光源先失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整燈失效中超過(guò)80％的原因是電源出現(xiàn)了故障。導(dǎo)致 LED 驅(qū)動(dòng)電源失效的原因很多，可歸納為以下5大類。

1.LED電源散熱不良

   驅(qū)動(dòng)電路由電子元件組成，少數(shù)元件對(duì)溫度非常敏感。如電解電容，通行的電解電容壽命估算公式為"溫度每降低10度，壽命增加一倍"，散熱不良很可能導(dǎo)致其壽大大縮短，提前失效，致使 LED 電壓出現(xiàn)故障，燈具失效。尤其是對(duì)于內(nèi)置式電源（放在整燈內(nèi)的電源），發(fā)熱量大的電源會(huì)增加整燈的導(dǎo)熱、散熱壓力， LED 的溫度將升高，其光效和壽命將大大降低。所以在設(shè)計(jì) LED 電源時(shí)，就應(yīng)該重視其自身的散熱問(wèn)題。因此在開(kāi)始設(shè)計(jì)燈具初期進(jìn)行評(píng)估，電源的設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，就能解決以上問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中要綜合考慮 LED 的散熱和電源的散熱，整體控制燈具的溫升，這樣才能設(shè)計(jì)出較好的燈具。

(1）功率設(shè)計(jì)。雖然 LED 光效高，但是還有80%~85％的熱能損耗，致使燈具內(nèi)部有20~30K的溫升，如果室溫在25℃，燈具內(nèi)部則有45~55℃，電源長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下工作，要保證壽命就必須加大功率裕量，一般留存1.5~2倍的裕量。

(2）元件選型。燈具內(nèi)部溫度在45~55℃時(shí)，電源內(nèi)部溫升還有20℃左右，則元件附近的溫度要達(dá)到65~75℃。有些元件在高溫時(shí)參數(shù)會(huì)飄移，甚至壽命會(huì)縮短，所以器件要選擇能在較高溫度下長(zhǎng)時(shí)間使用的，還要特別注意電解電容和導(dǎo)線。

(3）電性能設(shè)計(jì)。開(kāi)關(guān)電源針對(duì) LED 的參數(shù)設(shè)計(jì)，主要是恒流參數(shù)，電流的大小決定 LED 的亮度，如果批量電流誤差較大，則整批燈的亮度不均勻。而且溫度的變化也能致使電源輸出電流偏移。一般批量誤差控制在士5％以內(nèi)，才能保證燈的亮度一致， LED 的正向壓降有偏差，電源設(shè)計(jì)的恒流電壓范圍要包含 LED 的電壓范圍。多個(gè) LED 串聯(lián)使用時(shí)，最小壓降乘以串聯(lián)數(shù)量為下限電壓，最大壓降乘以串聯(lián)數(shù)量為上限電壓，電源的恒流電壓范圍要比這個(gè)范圍稍寬些，一般上下限各留1~2V裕量。

(4) PCB 布板設(shè)計(jì)。 LED 燈具留給電源的尺寸較?。ǔ请娫词峭庵玫模?，所以在 PCB 設(shè)計(jì)上要求較高，要考慮的因素也較多。安全距離要留夠，要求輸入和輸出隔離的電源，一次側(cè)電路和二次側(cè)電路要求耐壓1500~2000VAC，在 PCB 上至少要留夠3mm的距離。如果是金屬外殼的燈具，則整個(gè)電源的布板還要考慮高壓部分和外殼的安全距離。如果沒(méi)有空間保證安全距離就要利用其他措施保證絕緣，比如在 PCB 上打孔、加絕緣紙、灌封絕緣膠等。另外布板還要考慮熱量

均衡，發(fā)熱元件要均勻分布，不能集中放置，避免局部溫度升高。電解電容遠(yuǎn)離熱源，減緩老化，延長(zhǎng)使用壽命。

3．雷擊損壞

   雷擊是一種常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，特別是在雨季尤為常見(jiàn)。其所帶來(lái)的危害和損失全球每年以千億美元來(lái)計(jì)。雷擊分為直接雷擊和間接雷擊，間接雷主要包括傳導(dǎo)雷和感應(yīng)雷。由于直接雷所帶來(lái)的能量沖擊非常大，破壞力極強(qiáng)，一般電源是無(wú)法承受的，故這里主要討論的是間接雷型。

  雷擊所形成的浪涌沖擊是一種瞬態(tài)波，屬于瞬變干擾，可以是浪涌電壓，也可以是浪涌電流。沿著電源線或其他路徑（傳導(dǎo)雷）或通過(guò)電磁場(chǎng)（感應(yīng)雷）而傳送至電源線路。其波形特征是先快速上升然后慢慢下降。這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生致命的影響，其產(chǎn)生的瞬間的浪涌沖擊遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般電子器件的電性應(yīng)力，導(dǎo)致的直接結(jié)果是電子元件損壞。

4．電網(wǎng)電壓超出電源負(fù)荷

  當(dāng)同一個(gè)變壓器電網(wǎng)支路配線太長(zhǎng)，支路中有大型動(dòng)力設(shè)備時(shí)，在大型設(shè)備啟停時(shí)，電網(wǎng)電壓會(huì)劇烈波動(dòng)，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)。當(dāng)電網(wǎng)瞬時(shí)電壓超過(guò)310VAC時(shí)有可能損壞驅(qū)動(dòng)器（即使有防雷裝置也無(wú)效，因?yàn)榉览籽b置是應(yīng)對(duì)幾十微秒級(jí)別的脈沖尖峰，而電網(wǎng)波動(dòng)可能達(dá)到幾十毫秒，甚至幾百毫秒）。因此，路燈照明支路電網(wǎng)上有大型電力機(jī)械時(shí)要特別注意，最好監(jiān)測(cè)下電網(wǎng)波動(dòng)幅度，或者由單獨(dú)電網(wǎng)變壓器供電。

5．焊點(diǎn)失效

  電源封裝主要涉及 PCB 板與元器件之間的連接工序，其中焊點(diǎn)扮演著重要的角色。焊點(diǎn)的主要作用是實(shí)現(xiàn)電子元器件與基板（ LED 電源中針對(duì)的是 PCB 板）的機(jī)械連接和電氣連接，焊點(diǎn)質(zhì)量嚴(yán)重影響著器件的可靠性。焊點(diǎn)失效一方面來(lái)自于生產(chǎn)裝配中的焊接故障，如焊料橋連、虛焊、空洞、曼哈頓現(xiàn)象。另一方面是在服役過(guò)程中，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，由于元器件與 PCB 板存在熱膨脹系數(shù)差，在焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，應(yīng)力的周期性變化會(huì)造成焊點(diǎn)的疲勞損傷，最終導(dǎo)致疲勞失效。

   所以 LED 驅(qū)動(dòng)電源在設(shè)計(jì)和組裝時(shí)應(yīng)充分考慮以上五個(gè)失效原因，只有這樣才能設(shè)計(jì)出高質(zhì)量、高可靠性的驅(qū)動(dòng)電源。

   此外，整燈最重要的應(yīng)力影響因素包括濕度、溫度、電流、電壓、機(jī)械力、化學(xué)和光輻射。這些應(yīng)力相互作用，施加在 LED 產(chǎn)品上，形成各種失效模式，最后影響產(chǎn)品壽命。首先要注意的就是 led 的光衰特性，傳統(tǒng)燈具一般點(diǎn)燃100h之后就進(jìn)行測(cè)量，對(duì) LED 燈具來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)間太短。其次是 LED 的熱特性， LED 的發(fā)光、顏色等都與其熱特性相關(guān)。除了 LEd 本身的熱特性， LED 燈具的散熱設(shè)計(jì)也會(huì)影響 LED 的光效、壽命。

    目前許多燈具的散熱設(shè)計(jì)參差不齊，造成有些 LED 燈光效低、壽命短，這實(shí)際上并不是 LED 燈本身的問(wèn)題，而是燈具設(shè)計(jì)不良。 LED 壽命很長(zhǎng)，但真正拿到室外環(huán)境中應(yīng)用就很容易出現(xiàn)各種問(wèn)題：在-10℃的哈爾濱， LED 無(wú)法啟動(dòng)；在赤道地區(qū)，氣候炎熱使 LED 的散熱問(wèn)題嚴(yán)重。環(huán)境因素使 LED 壽命不能得到保證，這是最大的問(wèn)題。 LED 在室內(nèi)可以達(dá)到兩萬(wàn)小時(shí)，可是在某些環(huán)境要求既散熱又防水，但這兩者在一定程度上是矛盾的，這些都對(duì) LED 的壽命提出了挑戰(zhàn)。