LED灯寿命可靠性检测方法探讨

李晓兵刘清华

浙江阳光照明电器集团股份有限公司浙江上虞312300

【摘要】本文提出LED灯寿命可靠性可通过光输出饱和度、电流温度色差、结温和热阻来预测，并通过阿伦纽斯（Arrhenius）公式推算LED灯的寿命时间。

【关键词】LED灯；寿命；光通维持率；颜色漂移；光输出饱和度；电流温度

引言

LED灯因其高效节能、寿命长、尺寸小受到社会各界的热捧，也受到政府部门的高度重视，2010年国家发改委、住建部、交通运输部联合提出“半导体照明产品应用示范工程项目”以加快LED产品的推广。

由于LED灯寿命长，通常为25000小时以上，如果正常连续燃点需要费时近3年时间，如何能快速的预测灯的寿命，是各LED设计制造企业都非常关心的一个话题。经过阳光实验室团队的大量实验和参考国内外研究成果，本文提出通过光输出饱和度、电流温度色差、结温和热阻来预测LED灯的寿命。并提出建立LED灯检测手段需要配置的测量仪器设备。

一、LED典型的特性曲线与寿命可靠性关系

LED灯寿命失效一般采用光衰（光通维持率）和色差（颜色漂移）2个指标低于相应的标准值来评判。

1、光输出饱和度与LED光衰可靠性关系

1.1、LED光输出与注入电流呈线性关系，由于电流增大带来温度升高，光输出呈现饱和趋势：

1.2、光输出饱和度越严重，LED光衰越大，寿命越短：

1.3、本关系图的意义在于：一方面可指导我们的研发人员设定合理的工作电流，另一方面也可同条件下选取特征电流点通过比较不同供应商的LED光输出饱和度，来评判质量优劣。光输出饱和度越严重的说明寿命试验后LED光衰越大，寿命越短。

2、电流温度色差与LED寿命可靠性关系

2.1、白光LED色品坐标随结温和电流的增大而减小，如下图：

2.2、白光LED的电流温度色差越大，老炼后颜色退化量越大，寿命越短:

可同条件下比较不同供应商的LED电流温度色差，电流温度色差越大的说明寿命试验后颜色退化量越大，寿命越短，以比较产品质量优劣。

3、结温和热阻与LED可靠性关系

LED的热阻以及使用环境温度对于LED的可靠性起着非常关键的作用，LED设计与应用中要解决的最关键的问题就是散热问题。

3.1测量和计算结温、热阻

Rth,J-R：热阻，单位：℃/W

TJ：结点温度

TR：参考点温度，一般为引脚、散热金属板的温度

PH：输入的热功率

IVf：总的输入功率

Φe：光辐射通量，一般为毫瓦mW级，可设为0

根据上述公式，知道热阻，当输入不同热功率时，结温可由测得的参考点温度计算确定，如下：

（2）热阻的测量

热阻一般会由LED芯片厂家提供，比如CREE的样册中提供了各型号的热阻，当不知道热阻的情况下，需要通过测试和计算。一般采用测量一定脉冲电流条件下的正向电压的间接方法来测量，热阻的测量在此不作展开，结温与正向电压的关系成反比：

（3）结温的公式如下：

TJ：结点温度，单位：℃

TJ0：参考结温，一般为环境温度

V`f：当前结温下的正向电压

Vf0：参考结温下的正向电压

KVT：正向电压与温度之间的比率系数，可通过下式计算，一般LED芯片厂家会提供。

Vf1：环境温度时的正向电压

Vf2：热平衡后的正向电压

TJ1：环境温度时的结温

TJ2：热平衡后的结温

3.2结温和热阻与LED可靠性关系

同一类产品，寿命与结温成指数反比关系：

二、通过阿伦纽斯（Arrhenius）公式预测LED灯寿命

瑞典人阿伦纽斯提出的寿命推测关系模型，在国际上已被应用于电子产品的寿命推算。

1、阿伦纽斯（Arrhenius）公式

K=L1/L2=exp[Ea/K(1/T1-1/T2)]

（1）在LED上的应用如下：

Lc,0：环境温度25℃的平均工作寿命；

Lc,i：加速试验时间；

Ea：激活能；

K：玻尔兹曼常数；

Tj,0：工作环境温度下的结温；

Tj,i：加速试验温度。

（2）检验推定式如下：

T2=2（t1-t2）/10×T1×ξ

T2：在环境温度t2（25℃）下的正常试验寿命，单位为小时（h）；

T1：在试验温度t1（85或60℃）下的加速试验时间，单位为小时（h）；

t1：环境温度25℃；

t2：试验温度85或60℃；

ξ：当某一空气温度湿度和输入电压时的寿命系数（可根据经验，在1～4范围内取值）；

通则：使用温度每上升10℃，使用寿命缩短一半。

2、LED灯寿命推算举例

85、85条件即在温度85℃，湿度85%条件下，点灯168h，光衰小于10%，颜色漂移小于300K，可满足约13000h的正常寿命。60，90条件，将试验条件改为温度60℃，湿度90%。

例如一款LED灯的使用条件：25℃70%RH

试验条件：85℃85%RH168hξ取1.25

推算使用寿命：

T2=2（t1-t2）/10×T1×ξ=2（85-25）/10×168×1.25=13340h

如果要满足2010版发改委LED技术要求的30000h寿命，在此条件下，至少需燃点375h。

目前阿伦纽斯公式在LED领域的应用还存在很多争议，有不少研究人员提出自己的公式修正和结果不确定度推算，在此不作展开。

三、LED灯测试设备配置要求

LED灯的检测设备要满足瞬时的电流供给及光电色测试的要求，可参考下列仪器配置。

HAAS-2000高精度快速光谱辐射计;LED300E可编程LED测试电源;

LED310结温热阻测试仪;恒温试验间;恒温湿热试验箱;

四、结论

通过试验和分析认为，为了能够快速的得知LED灯寿命，节约产品的研发周期，可通过测量LED灯的光输出饱和度、电流温度色差、结温和热阻特性，并通过阿伦纽斯（Arrhenius）公式推算LED灯的寿命时间。

参考文献：

[1]QB/T4057-2010普通照明用发光二极管性能要求

[2]GB/T24908-2010普通照明用自镇流LED灯性能要求

[3]GB/T24824-2009普通照明用LED模块测试方法

[4]张楼英等：大功率LED的光衰机制研究半导体技术2009.5

[5]王亚盛等：大功率LED加速寿命试验及问题分析半导体技术2009.10