LED 燈具失效的原因及其分析

 LED 照明產品失效主要表現為光衰嚴重（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歸納為 LED 光源失效和 LED 驅動電源失效。

一、 led知識，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、熱過應力失效、電過應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。以下主要介紹芯片失效、封裝失效、熱過應力失效、電過應力失效四種模式。

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，造成較大的應力，隨著熱量積累所產生的熱機械應力也隨之加強，導致芯片產生微裂紋，工作時注入的電流會進一步加劇微裂紋使之不斷擴大，直至器件完全失效。其次，如果芯片有源區本來就有損傷，則會導致在加電過程中逐漸退化直至失效，同樣也會造成燈具在使用過程中光衰嚴重直至不亮。再者，若芯片粘結工藝不良，在使用過程中會導致芯片粘結層完全脫離粘結面而使得樣品發生開路失效，同樣也會造成 LED 在使用過程中發生"死燈"現象。導致芯片粘結工藝不良的原因，可能是由于使用的銀漿過期或者暴露時間過長、銀漿使用量過少、固化時間過長、固晶基面被污染等。

2．封裝失效

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

   氣密性不良導致產品高溫后失效， LED 封裝后產品氣密性的好壞，決定產品在各種環境條件下使用的可靠性，因放置環境及時間的影響，導致產品吸潮。在高溫焊接時，加熱初期，微量的水蒸氣壓力使樹脂接口分層，水蒸氣的壓力隨著焊接溫度升高，使樹脂膨脹開裂，水蒸氣透過樹脂裂痕排出，樹脂膨脹時的應力拉斷第二焊點金絲

以及銀膠脫離，導致失效現象。在光電行業里 LED 的氣密性指標是評價產品質量水平的一個重要的指標。產生氣密性不良的原因有：支架和環氧的選型是否匹配，固化條件的管控，支架表面清潔程度，特殊工藝的實施保障等。

   對于封裝而言，還有一個影響 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部，導致引線變質、 PCB 銅線銹蝕。有時，隨水汽引入的導電離子會駐留在芯片表面，從而造成漏電。此外，封裝質量不好的器件，在其封裝體內部會有大量的殘留氣泡，這些殘留的氣泡同樣也會造成器件的腐蝕。

3．熱過應力失效

   溫度一直是影響 LED 光學性質的重要因素，而在研究 LED 失效模式的時候，國內外學者考慮到將工作環境溫度作為加速應力，來進行 LED 加速壽命實驗。這是因為在 LED 系統熱阻不變的前提下，封裝引腳焊接點的溫度升高，則結溫也會隨之升高，從而導致 LED 提前失效。

  Hsu 等人對不同廠商所提供的 LED 樣品進行加速壽命實驗，該實驗將 led 樣品分別置于80℃、100℃、120℃下，使用3.2V電壓驅動，并且規定當樣品的光功率下降到起始值的50％時，即判定為失效。實驗結果表明：高功率 LED 的壽命隨著加速壽命實驗溫度的升高以及加速時間的增加而減小。在加速壽命實驗中， LED 結溫升高會使得環氧樹脂材料發生異變，從而增加了系統的熱阻，使得芯片與封裝之間的受熱表面發生退化，最終導致封裝失效。

4．電過應力失效

   LED 若在過電流的情況下使用或者靜電沖擊損傷了芯片，都會造成芯片開路，形成電過應力失效，例如， GaN 是寬禁帶材料，電阻率較高。如果使用該類芯片，在生產過程中因靜電產生的感生電荷不易消失，當其累積到相當的程度時，可以產生很高的靜電電壓，該電壓一旦超過材料的承受能力，就會發生擊穿現象并放電，使得器件失效。

  LED 光源的壽命主要表現為光衰，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，即光通量維持壽命。由于 LED 是高可靠性器件，壽命一般都會超過幾千小時甚至是一萬多小時，直接測量等待光衰到指定值的做法在工業上的應用十分困難。固態照明系統的可靠性是一個非常重要的參數，一個完備的固態照明系統應該具備高質量、高可靠性、低失效率、高壽命等特征。

二、LED 驅動電源失效

   相對于 LED 光源來說， LED 驅動電源的結構更復雜，需要權衡的地方會更多，使得 LED 驅動電源往往比 LED 光源先失效。據統計，整燈失效中超過80％的原因是電源出現了故障。導致 LED 驅動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

   驅動電路由電子元件組成，少數元件對溫度非常敏感。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"，散熱不良很可能導致其壽大大縮短，提前失效，致使 LED 電壓出現故障，燈具失效。尤其是對于內置式電源（放在整燈內的電源），發熱量大的電源會增加整燈的導熱、散熱壓力， LED 的溫度將升高，其光效和壽命將大大降低。所以在設計 LED 電源時，就應該重視其自身的散熱問題。因此在開始設計燈具初期進行評估，電源的設計同步進行，就能解決以上問題。在設計中要綜合考慮 LED 的散熱和電源的散熱，整體控制燈具的溫升，這樣才能設計出較好的燈具。

(1）功率設計。雖然 LED 光效高，但是還有80%~85％的熱能損耗，致使燈具內部有20~30K的溫升，如果室溫在25℃，燈具內部則有45~55℃，電源長時間在高溫環境下工作，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。燈具內部溫度在45~55℃時，電源內部溫升還有20℃左右，則元件附近的溫度要達到65~75℃。有些元件在高溫時參數會飄移，甚至壽命會縮短，所以器件要選擇能在較高溫度下長時間使用的，還要特別注意電解電容和導線。

(3）電性能設計。開關電源針對 LED 的參數設計，主要是恒流參數，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，才能保證燈的亮度一致， LED 的正向壓降有偏差，電源設計的恒流電壓范圍要包含 LED 的電壓范圍。多個 LED 串聯使用時，最小壓降乘以串聯數量為下限電壓，最大壓降乘以串聯數量為上限電壓，電源的恒流電壓范圍要比這個范圍稍寬些，一般上下限各留1~2V裕量。

(4) PCB 布板設計。 LED 燈具留給電源的尺寸較小（除非電源是外置的），所以在 PCB 設計上要求較高，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，一次側電路和二次側電路要求耐壓1500~2000VAC，在 PCB 上至少要留夠3mm的距離。如果是金屬外殼的燈具，則整個電源的布板還要考慮高壓部分和外殼的安全距離。如果沒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。電解電容遠離熱源，減緩老化，延長使用壽命。

3．雷擊損壞

   雷擊是一種常見的自然現象，特別是在雨季尤為常見。其所帶來的危害和損失全球每年以千億美元來計。雷擊分為直接雷擊和間接雷擊，間接雷主要包括傳導雷和感應雷。由于直接雷所帶來的能量沖擊非常大，破壞力極強，一般電源是無法承受的，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（傳導雷）或通過電磁場（感應雷）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。這種現象會對電源產生致命的影響，其產生的瞬間的浪涌沖擊遠遠超出一般電子器件的電性應力，導致的直接結果是電子元件損壞。

4．電網電壓超出電源負荷

  當同一個變壓器電網支路配線太長，支路中有大型動力設備時，在大型設備啟停時，電網電壓會劇烈波動，甚至導致電網不穩。當電網瞬時電壓超過310VAC時有可能損壞驅動器（即使有防雷裝置也無效，因為防雷裝置是應對幾十微秒級別的脈沖尖峰，而電網波動可能達到幾十毫秒，甚至幾百毫秒）。因此，路燈照明支路電網上有大型電力機械時要特別注意，最好監測下電網波動幅度，或者由單獨電網變壓器供電。

5．焊點失效

  電源封裝主要涉及 PCB 板與元器件之間的連接工序，其中焊點扮演著重要的角色。焊點的主要作用是實現電子元器件與基板（ LED 電源中針對的是 PCB 板）的機械連接和電氣連接，焊點質量嚴重影響著器件的可靠性。焊點失效一方面來自于生產裝配中的焊接故障，如焊料橋連、虛焊、空洞、曼哈頓現象。另一方面是在服役過程中，當環境溫度變化時，由于元器件與 PCB 板存在熱膨脹系數差，在焊點內產生熱應力，應力的周期性變化會造成焊點的疲勞損傷，最終導致疲勞失效。

   所以 LED 驅動電源在設計和組裝時應充分考慮以上五個失效原因，只有這樣才能設計出高質量、高可靠性的驅動電源。

   此外，整燈最重要的應力影響因素包括濕度、溫度、電流、電壓、機械力、化學和光輻射。這些應力相互作用，施加在 LED 產品上，形成各種失效模式，最后影響產品壽命。首先要注意的就是 led 的光衰特性，傳統燈具一般點燃100h之后就進行測量，對 LED 燈具來說，這個時間太短。其次是 LED 的熱特性， LED 的發光、顏色等都與其熱特性相關。除了 LEd 本身的熱特性， LED 燈具的散熱設計也會影響 LED 的光效、壽命。

    目前許多燈具的散熱設計參差不齊，造成有些 LED 燈光效低、壽命短，這實際上并不是 LED 燈本身的問題，而是燈具設計不良。 LED 壽命很長，但真正拿到室外環境中應用就很容易出現各種問題：在-10℃的哈爾濱， LED 無法啟動；在赤道地區，氣候炎熱使 LED 的散熱問題嚴重。環境因素使 LED 壽命不能得到保證，這是最大的問題。 LED 在室內可以達到兩萬小時，可是在某些環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 LED 的壽命提出了挑戰。