LED球泡燈光衰激活能評(píng)估方法

武德起,武夷平,楚曉杏

(1.中國(guó)科學(xué)院 微電子研究所,北京 100029;2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院 產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,河南 鄭州 451191)

LED燈具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于景觀照明、交通照明、背光源等多種場(chǎng)合.然而目前市場(chǎng)上LED照明產(chǎn)品存在性能參差不齊、質(zhì)量評(píng)估體系不健全、沒(méi)有公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可供參考等問(wèn)題,嚴(yán)重影響了LED照明產(chǎn)品的推廣使用[1].時(shí)下LED照明產(chǎn)品的可靠性評(píng)估已成為國(guó)內(nèi)外LED產(chǎn)品研究的熱點(diǎn).LED照明產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的任一缺陷都很容易在使用過(guò)程中被放大,形成諸如非輻射復(fù)合增加、熱阻變大、結(jié)溫升高等問(wèn)題,使得LED照明產(chǎn)品的光通量快速衰減,可靠性下降,嚴(yán)重影響LED照明產(chǎn)品長(zhǎng)壽命的發(fā)揮[2].為此很有必要推出一套LED照明產(chǎn)品加速壽命測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),即在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)評(píng)估出某款LED照明產(chǎn)品的壽命預(yù)期,一方面使用戶了解產(chǎn)品可能的壽命預(yù)期,另一方面,通過(guò)加速壽命測(cè)試快速放大產(chǎn)品缺陷,暴露產(chǎn)品在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)過(guò)程中可能存在的問(wèn)題,以便使企業(yè)完善技術(shù),提高產(chǎn)品質(zhì)量,有利于LED照明產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮.實(shí)驗(yàn)證明[3],使用阿倫尼斯模型預(yù)測(cè)LED照明產(chǎn)品在穩(wěn)態(tài)工作下的壽命時(shí),0.1 eV的激活能偏差會(huì)引起2個(gè)數(shù)量級(jí)的預(yù)測(cè)壽命誤差.為此,LED照明產(chǎn)品性能衰減激活能數(shù)值測(cè)定的準(zhǔn)確性將直接決定LED照明產(chǎn)品壽命預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度.

LED照明產(chǎn)品作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),其光衰激活能大小是由其系統(tǒng)組成部件內(nèi)在因素共同決定的[4].一旦確定了LED照明產(chǎn)品的光衰激活能,就能夠預(yù)判該產(chǎn)品的壽命預(yù)期,進(jìn)而分析出可能的失效機(jī)理,進(jìn)一步得到能夠保持失效機(jī)理不變的可施加應(yīng)力范圍,在該應(yīng)力范圍內(nèi)進(jìn)行加速壽命實(shí)驗(yàn),能夠節(jié)約評(píng)估該產(chǎn)品可靠性的時(shí)間.

絕大多數(shù)廠家都會(huì)給出相關(guān)LED照明產(chǎn)品的一個(gè)光衰激活能范圍,一般在0.4～1.0 eV[5-9],由于LED照明產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制備工藝不同,其激活能數(shù)值也不盡相同[10].產(chǎn)品激活能還可以通過(guò)查閱資料,根據(jù)化合物性質(zhì)獲得一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值.這2種方法獲得的激活能數(shù)值僅可作為參考,遠(yuǎn)達(dá)不到用于產(chǎn)品壽命預(yù)測(cè)的精度.目前,針對(duì)激活能,尤其是LED照明產(chǎn)品光衰激活能數(shù)值的具體測(cè)定方法報(bào)道得很少.郭春生等[11]通過(guò)序進(jìn)應(yīng)力加速壽命實(shí)驗(yàn)測(cè)出了半導(dǎo)體器件的失效激活能.Lu等[12]通過(guò)非線性擬合研究了LED光源和燈具的激活能.莫郁薇[13]獲得了半導(dǎo)體分立器件的熱激活能.王兵[14]通過(guò)高溫加速壽命實(shí)驗(yàn)得出LED激活能0.746 eV.Vázquez等[15]采用電流應(yīng)力測(cè)試出鋁銦鎵磷LED燈的激活能.Nogueira[16]測(cè)試出商用鋁銦鎵磷LED燈的激活能.前人給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別較大,難于在產(chǎn)品預(yù)測(cè)壽命中直接用于推算壽命預(yù)期.

本文基于阿倫尼斯模型和光通量指數(shù)衰減模型,經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到了計(jì)算LED球泡燈光衰激活能數(shù)值的具體數(shù)學(xué)公式.通過(guò)實(shí)驗(yàn),得到了一種精確求解LED照明產(chǎn)品光衰激活能的方法.實(shí)驗(yàn)選用陽(yáng)光BPZ 220/5W JA55型球泡燈在溫度應(yīng)力40、50、60 ℃下點(diǎn)燃老化1 000 h,通過(guò)光通量的定期測(cè)試,在測(cè)試相應(yīng)結(jié)溫的基礎(chǔ)上,精確計(jì)算了該產(chǎn)品的光衰激活能數(shù)值,并對(duì)其失效機(jī)理作了簡(jiǎn)要分析.

1 LED球泡燈光衰激活能求解方法及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 光衰激活能求解方法

任何化學(xué)反應(yīng)都需要足夠的能量克服反應(yīng)勢(shì)壘,這一能量定義為化學(xué)變化激活能,激活能Eα是表征易于失效的量度.Arrhenius認(rèn)為失效機(jī)制的激活能在低溫下是不變的[2].已證明溫度高于500 K時(shí),激活能會(huì)隨溫度的升高而變化[17].

LED照明產(chǎn)品的光通量變化遵循式(1)的指數(shù)模型:

Φt=Φ0e-βt,

(1)

其中,Φt為t時(shí)刻光通量,Φ0為開(kāi)始點(diǎn)燃時(shí)的光通量,β為衰減系數(shù),t為工作時(shí)間.

產(chǎn)品在某判據(jù)C下(如L70)的壽命為

(2)

得到產(chǎn)品在i和i+1兩個(gè)溫度應(yīng)力下的衰減系數(shù)關(guān)系如下:

(3)

根據(jù)式(1)得到在i溫度應(yīng)力下工作ti時(shí)間的產(chǎn)品壽命為[18]

(4)

衰減系數(shù)β和結(jié)溫Tj可由阿倫尼斯方程表達(dá)為[18]

(5)

其中,β0為待定常數(shù),Eα為光衰激活能,Tj為結(jié)溫,k為玻氏常數(shù).

將式(5)對(duì)數(shù)處理,同樣可得到產(chǎn)品在i和i+1兩個(gè)溫度應(yīng)力下的衰減系數(shù)關(guān)系

(6)

由式(3)和(6)左邊相等可得

(7)

所以,光衰激活能可表達(dá)為

(8)

其中,Tj,i為對(duì)應(yīng)于i的結(jié)溫;Tj,i+1為對(duì)應(yīng)于i+1的結(jié)溫.

至此,測(cè)出t時(shí)刻的光通量,帶入式(4),求出某結(jié)溫下的壽命LC,在知道對(duì)應(yīng)結(jié)溫的情況下,利用式(8),就能算出該產(chǎn)品的光衰激活能.

(9)

1.2 激活能實(shí)驗(yàn)方案

產(chǎn)品壽命受到諸如溫度、機(jī)械引力、濕度、電流等多種因素的影響[19-20],色漂、驅(qū)動(dòng)裝置等因素也可以作為失效判據(jù).本文僅以溫度應(yīng)力作為參考,評(píng)估產(chǎn)品的光衰激活能,進(jìn)而推測(cè)其壽命預(yù)期.

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2.2 實(shí)驗(yàn)樣品選擇

隨機(jī)選取14只老化過(guò)的BPZ 220/5 W JA55型陽(yáng)光球泡燈.

1.2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為保證失效機(jī)理不變,設(shè)置最高溫度60 ℃(前期實(shí)驗(yàn)已證實(shí)該球泡燈的溫度承受能力高于80 ℃),低溫環(huán)境溫度設(shè)置為40 ℃.點(diǎn)燃樣品,通過(guò)測(cè)試光通量進(jìn)而求解其光衰激活能.設(shè)置每組樣品量7只以確保最終可用樣品量不少于6只,能夠保證數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性.14只陽(yáng)光BPZ 220/5 W JA55燈泡是在常溫下老化1 000 h后的樣品中挑選出來(lái)的.為確保實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性,將2個(gè)用于實(shí)驗(yàn)的恒溫箱置于外界溫度25 ℃的環(huán)境中,箱內(nèi)溫度分別設(shè)置為40、60 ℃.溫度60 ℃的樣品每7 d測(cè)試1次光電參數(shù),溫度40 ℃的樣品每10 d測(cè)試1次光電參數(shù),樣品點(diǎn)燃1 000 h以上.

光衰測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由穩(wěn)壓電源供電的功率計(jì)測(cè)試LED球泡燈的電學(xué)參量,由余弦接收器接收LED球泡燈發(fā)出的光,經(jīng)過(guò)光譜儀采集光學(xué)參量,傳輸至電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和分析.

圖1 光衰測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of light failure test system structure

BPZ 220/5W JA55型陽(yáng)光球泡燈樣品如圖2所示.

圖2 測(cè)試樣品Fig.2 Testing samples

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 結(jié)溫測(cè)試

前期工作得知,當(dāng)陽(yáng)光型球泡燈在環(huán)境溫度40、60 ℃下點(diǎn)燃時(shí),所測(cè)得的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)如表2所示.

表2 陽(yáng)光型球泡燈結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)

陽(yáng)光型球泡燈在40、60 ℃環(huán)境溫度下得到的LED產(chǎn)品結(jié)溫分別為86.57、105.25 ℃,這與廠家給出的80 ℃左右和100 ℃左右基本上吻合.

2.2 光衰激活能測(cè)試

激活能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用光通量指數(shù)衰減模型和阿倫尼斯模型處理.對(duì)2個(gè)不同溫度應(yīng)力下點(diǎn)燃的LED球泡燈所測(cè)得的光通量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得出在這2個(gè)溫度所對(duì)應(yīng)的結(jié)溫下LED產(chǎn)品的壽命,從而計(jì)算出LED整燈的平均激活能.在40、60 ℃加速老化條件下的測(cè)試結(jié)果、樣品衰減系數(shù)及其70%加速壽命(L70)數(shù)值整理如表3、表4所示.

表3 40 ℃溫度應(yīng)力下樣品的加速壽命實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、衰減系數(shù)及加速壽命數(shù)值

表4 60 ℃溫度應(yīng)力下樣品的加速壽命實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、衰減系數(shù)及其加速壽命

根據(jù)光衰激活能的計(jì)算公式,將表3、表4中各樣品的預(yù)測(cè)壽命值及在各應(yīng)力下的結(jié)溫代入式(9),計(jì)算出各樣品的激活能大小,進(jìn)而得到該款產(chǎn)品的平均激活能數(shù)值為0.67 eV,如表5所示,這與廠家給出的數(shù)值(0.7 eV左右)接近.

表5 陽(yáng)光型球泡燈的光衰激活能

選取的100只陽(yáng)光BPZ 220/5 W JA55球泡燈樣品在室溫下正常點(diǎn)燃1 000 h的老化過(guò)程中僅有1只偶然失效,老化后隨機(jī)選取的14只球泡燈直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束沒(méi)再出現(xiàn)失效問(wèn)題.該失效球泡燈始終沒(méi)有出現(xiàn)變暗、變色等情況,是突然停止工作的,屬于偶然現(xiàn)象,很可能是受到了磕碰而誘發(fā)的突變損壞.由此可知,該款球泡燈主要是由于溫度變化引起的芯片失效.

2.3 結(jié)果分析

隨機(jī)選取老化后的14只陽(yáng)光BPZ 220/5 W JA55球泡燈,分別在40、60 ℃ 2種溫度應(yīng)力下點(diǎn)燃687 h和573 h,對(duì)樣品進(jìn)行了光通量的測(cè)量.用光通量衰減指數(shù)模式和阿倫尼斯模型進(jìn)行數(shù)學(xué)處理,計(jì)算出了該類型陽(yáng)光球泡燈的平均光衰激活能數(shù)值為0.67 eV.這為后期進(jìn)行恒定溫度應(yīng)力下加速壽命的實(shí)驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ),極大地減少了估算的誤差.

3 結(jié)論

在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上,通過(guò)恒流模式下結(jié)溫的測(cè)量,以光通量的衰減作為失效判據(jù),不同溫度應(yīng)力模式下精確測(cè)試了陽(yáng)光BPZ 220/5W JA55球泡燈的光衰激活能.通過(guò)精確確定LED球泡燈的光衰激活能,能夠在較短的時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)LED球泡燈的預(yù)期壽命,以極小的代價(jià)預(yù)測(cè)LED球泡燈在設(shè)計(jì)中的缺陷和不足,便于改善產(chǎn)品性能.