隨著LED 技術的快速發展，LED 在照明領域的各個方面應用也越來越廣泛，并逐漸開始占據照明市場的主導地位。

　　LED 作為新型照明光源，在很多方面具有傳統光源所無法比擬的優勢。但是， 它在實際應用過程中仍存在一些問題而導致它沒有達到其理論上的使用壽命和光度參數上的要求。因此，如果不能實現高可靠性、長壽命的LED 光源，即使光效再好，高昂的維護成本必然限制其在各個領域的應用。白熾燈的額定壽命一般是1000 小時，熒光燈的平均壽命是10000 小時，而根據美國照明研究中心（LRC）Narendran 等人對白光LED 進行的壽命實驗，LED 的壽命可以達到10 萬小時。

　　一、LED 燈具可靠性檢測的重要性

　　照明LED 商業化到現在還不足15 年，技術仍在不斷發展和完善。而各生產廠商在外延到芯片到封裝技術水平上也相差較大，同一廠商生產的不同批次LED 質量也參差不齊。再加上應用產品的設計以及使用方法的差別，照明LED 的壽命完全達不到理論上的10 萬小時。因此，提高LED 的可靠性是LED 研究的重中之重。而對LED 可靠性的研究是提高其可靠性和使用壽命的前提和基礎。對LED 的可靠性的研究不僅能從根源上對LED 的失效機理進行分析，進而從設計、工藝以及使用等方面提出改進方案，而且可對LED 照明產品的可靠性提供全面的評估，為LED 早期失效篩選及產品質量管理提供依據，因此，LED 可靠性的研究無論對于LED 科研還是LED 產業都具有非常重要的學術價值和實用價值。

　　美國能源部（DOE）固態照明2010 年技術路線也將LED 照明產品的可靠性強化試驗和加速壽命試驗的相關評價與測試技術作為*近幾年的重要研究方向， 并獲得美國研究機構的支持。科銳、飛利浦等照明巨頭也投入巨大人力、物力進行LED 可靠性方面的研究。我國工信部、科技部、國家半導體照明工程研發及產業聯盟（CSA）、廣東省科技廳近年來也投入許多資金加大對LED 照明產品可靠性方面的支持和研究。許多高校、研究機構、標準聯盟都提出計劃準備制定LED 可靠性和加速壽命試驗方面的標準，但是由于缺少可靠的研究成果，目前各類檢測和認證在評估LED 燈具壽命時都仍然按LED 燈具在正常工作狀態燃點， 然后測量光衰的辦法。

　　二、LED 燈具可靠性和壽命檢測的現狀

　　按照國家標準，傳統熒光燈和節能燈的性能測試方法都要測試2000h 光衰和6000h 壽命。目前CQC 的LED 照明產品節能認證是測量3000h、6000h 和10000h 光衰來評判LED 燈具的壽命；而美國的能源之星對LED 照明產品進行認證時，光衰減測試的*低要求是6000 小時。這些測試方法雖然能檢測出樣品的實際壽命情況，但是測試時間太長，測試費用也過高，完全不能滿足市場的需求。因為有別于傳統燈具技術比較成熟和穩定，LED 技術發展迅速，每隔半年產品用的芯片和產品外形都有很大的變化，等到6000 小時的光衰試驗做完， 這個產品可能已經被市場淘汰，因此我們必須找到更快速和更科學的LED 燈具可靠性檢測方法。

　　如果把LED 燈具看作一個系統，根據可靠性檢測我們可以把它分為三個子系統，分別是光源模塊（模組） 子系統，驅動電源子系統和接口子系統。筆者認為，目前某些研究機構提出把整體燈具進行壽命加速試驗然后來預測壽命這個方法不太妥當。不同系統的失效原理和加速原理都差異巨大，得出來的數據并不可靠。所以， 應該按照不同子系統來分開對待。LED 燈具的驅動電源子系統無論和傳統燈具的控制裝置比較，還是和目前市場上的其余電子產品的電源比較，技術難度并不算高， 對光源可靠性的影響也沒有傳統燈具控制器那么大，所以按照目前的LED 控制裝置的國家標準和國際標準嚴格測試就基本可以保證它的可靠性。接口子系統通過振動和接口插拔等試驗也可以保證它的可靠性，關鍵需要研究的是LED 光源模塊子系統。

　　三、LED 光源模塊的失效原因

　　LED 光源模塊一般由基板、芯片、封裝材料（包括熒光粉）、透鏡組成，某些模塊還包括散熱裝置和導熱硅膠，現在流行的封裝方式有DOB 和cob.因為LED 光源模塊設計的多樣性和組成的復雜性，所以造成失效的原因也非常多，一般包括以下幾點：

　　1. 封裝材料退化

　　LED 在日常生活使用的過程中，長時間的工作會讓LED 的藍光與GaN 系統中的帶間輻射復合所產生的紫外線的輻射和溫度升高而引致LED 的外表封裝材料（如環氧樹脂）內的許多聚合物的光學透明度的大輻度下降， 從而引起了LED 的出光效率的下降。

　　對于這個封裝材料的退化會引起LED 的出光效率降低的這個問題，D.L.Barton 等人曾做過研究試驗。實驗表明當LED 的環境溫度為95 ℃、驅動電流大于40mA 時，LED 的pn 結溫度超過145℃，這個溫度是讓封裝材料達到了變色的臨界狀態。如果在大電流的條件下，封裝材料甚至會出現碳化，從而在器件的表面生成一種不透明物質或形成導電通道，致使器件失效。

　　2. 污染物焊接

　　LED 的污染物焊接是指LED 在封裝過程中，LED 芯片的電極被液滴、油污、纖維、粉塵等物質所覆蓋污染，導致LED 的焊點部分或全部接觸不良而形成的缺陷， 這是危害*大的LED 焊接缺陷。

　　據實驗表明，當污染物覆蓋了整個焊點時，在焊接處會形成金屬—介質—金屬結構，也稱為隧道結。而在器件發光的過程中，由于隧道結的存在，LED 芯片的峰值波長的發光強度會降低到正常時的60%.因此，對LED 封裝焊接缺陷進行可靠性檢測是十分必要的。

　　3. 固晶底膠引起的失效

　　在白光LED 行業中常用到的固晶膠有氧樹脂絕緣膠、硅樹脂絕緣膠、銀膠，而三者各有利弊， 在選用時要綜合考慮。環氧樹脂：絕緣膠導熱性差，但亮度高； 硅樹脂絕緣：膠導熱效果比環氧樹脂稍好，亮度高，但由于硅成分占一定比例，固晶片時旁邊殘留的硅樹脂與熒光膠里的環氧樹脂相結合時會產生隔層現象， 經過冷熱沖擊后將產生剝離導致死燈；銀膠的導熱性比前兩者都好，可以延長LED 芯片的壽命，但銀膠對光的吸收比較大，導致亮度低。對于雙電極藍光晶片在用銀膠固晶時對膠量的控制也很嚴格，否則容易產生短路，直接影響到產品的良品率。因此，對于不同類型的器件產品， 要適當地選用不同的固晶底膠，這樣才能更好地降低由其引起的器件失效。

　　4. 熒光粉失效

　　實現白光LED 的途徑有多種， 目前使用*普遍、*成熟的一種是通過LED 芯片產生的藍光激發黃色熒光粉，所以熒光粉的材質對白光LED 的衰減影響很大。市場*主流的白光熒光粉是YAG 鋁石榴石熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉。與藍光LED 芯片相比， 熒光粉的失效會導致LED 的光衰加速，從而降低LED 的壽命。實驗表明熒光粉在溫度為80℃時， 激發效率會降低2%，冷卻后又恢復， 而這個很短時間的一個測試說明了LED 溫度的升高會讓熒光粉的性能下降，而LED 長時間工作在高溫下，會對熒光粉造成不可逆轉的衰退，還會普遍出現LED 的波長藍移的問題。

　　所以， 白光LED 的光衰減甚至失亮的很大部分原因就是熱作用下熒光粉性能的快速衰減。因此，熒光粉自身的質量對LED 的正常發光壽命有著很重要的影響。

　　5. 散熱問題引起的失效

　　LED 是一種固態的半導體器件，而LED 芯片的表面面積較小，工作時電流密度大，且用于照明時往往要求多個LED 組合而成。LED 密集度大，導致芯片發熱密度高，而結溫上升會導致光輸出減少，芯片加快蛻化， 縮短器件壽命。表1 給出了幾種不同材料的熱導率。可以看出， 目前在功率型LED 的制備中， 技術*為成熟、使用*多的藍寶石襯底的熱導率只有35 ～ 46W/（m×K）， 不足Si 材料的1/4.

　　如果要考慮到實際應用中對色漂移的不良影響，熱設計也要對*高結溫進行限制。由于LED 芯片輸入功率的不斷提高，對這些功率型LED 的封裝技術就提出了更高的要求， 如今散熱問題已成為制約高功率LED 發展的關鍵因素。

　　6.LED GaN 基外延材料缺陷引起的失效

　　由于沒有與GaN 相配的襯底材料，目前在絕大部分的LED 器件中的GaN 薄膜中存在著大量的缺陷。GaN 材料與目前主流襯底藍寶石的晶格常數的失配率為14%，而在藍寶石襯底上生長的GaN 材料位錯密度為108/cm3 ～ 1010/cm3.

　　在LED 的制備過程中，材料的缺陷會對載流子有吸附作用，從而在有源層中形成無輻射的復合中心，增加了光的吸收，導致LED 發光效率的下降；當電流足夠大時，載流子才會發生輻射的復合，但這又會引起晶格振動，晶格的熱運動會加速缺陷的形成，造成LED 異質結的退化。器件中接觸的金屬電極在電應力和熱應力的作用下就會沿著錯位遷移，從而形成低通歐姆阻道， 這會引致器件光功率的下降和漏電流的增加。因此， 提高外延材料的質量，降低材料中的缺陷密度能有效提高LED 器件的可靠性。

　　7. 靜電損傷引起的失效

　　GaN 材料具有3.39eV 的寬禁帶， 高電阻率。因此，GaN 基LED 芯片在其生產、運送的過程中所產生的靜電電荷容易積累而產生高的靜電電壓。藍寶石襯底的GaN 基LED 器件的結構對靜電的承受能力是很小的， 極易被其產生的靜電擊穿。在無靜電保護的情況下，人體所產生的靜電容易將LED 局部擊穿，LED 器件被靜電擊穿后將造成永久性失效。

　　8.P 型GaN 歐姆接觸老化

　　Meneghesso 等人在分析GaN 的失效過程中，通過LED 器件在退化前后的I-V 特性，如圖1.對比發現， 圖中I 階段的寄生串連電阻增加而使得相同電壓下的正向電流減小，和II 階段相似，而在IV 階段的反向漏電流明顯增加，和III 階段相似。Meneghesso 等人認為這些變化是由于P-GaN 透明導電膜與金屬導線電極的歐姆接觸在大電流和熱的影響下退化，導致串聯電阻的增加，產生了電流密集效應，從而使得發光效率的下降；在大電流注入的情況下，缺陷會發生增值， *終導致漏電流的增加。因此，P-GaN 的金屬電極的歐姆接觸對LED 的光學性能起重要的作用。

　　除了以上原因，其余失效原因還包括芯片與基板的焊接空洞、層裂，透鏡的黃化、開裂，芯片的開路、短路等。

　　四、LED 燈具加速壽命測試方法

　　為了快速發現LED 光源模塊的失效點和薄弱點，通常采用加速壽命試驗對其進行可靠性研究試驗。所謂加速壽命試驗就是在不改變失效機理的前提下，采用提高應力的方法，使器件加速失效，以便在較短的時間內取得加速情況下的失效率、壽命等數據，然后推算出在正常狀態應力條件下的可靠性特征量。加大應力情況下能加快LED 內部物理化學的變化，迅速暴露出器件結構設計和材料的缺陷，為LED 光源模塊結構設計和材料優化提供依據和參考。目前常用的施加應力條件包括溫度、濕度、振動與沖擊、太陽輻射（紫外輻射）、電磁輻射、氣壓強度、化學物質（腐蝕氣體）、沙塵、電壓、電流等， 多項研究證明，針對LED 光源模塊比較有效的加速應力主要是溫度、濕度、電流和振動，LED 燈具可靠性試驗方法的關鍵在于如何采用應力的組合方式、施加時間和施加方式。按照在試驗時施加應力的方式，加速壽命試驗可以分為以下幾種。

　　1. 恒定應力加速壽命試驗

　　恒定應力加速壽命試驗是將樣品分為幾組，每一組都在一個固定的應力下進行試驗，樣品在試驗期間所承受的應力保持不變，應力水平數不少于3 個。該試驗的試驗時間較長，樣品數量相對多一些。但與其他兩種加速壽命試驗相比是*為成熟的試驗方法，其試驗設備相對簡單，試驗條件易于控制，試驗結果誤差也較小，因而得到廣泛應用。目前美國能源之星對LED 燈具壽命的測試就是采用這個方法，必須先測試LED 芯片在55 ℃，85℃以及一個廠家指定的溫度環境下的6000 小時光衰數據，然后再測試LED 芯片在LED 燈具中的溫度，就可以推算出LED 燈具壽命。但是恒定應力加速方法所需要的時間還是太長，無法適應市場的需要。

　　2. 步進應力加速壽命試驗

　　步進應力加速壽命試驗是樣品在試驗期間所承受的應力按一定的時間間隔階梯式增加，直至樣品產生足夠的退化為止。該試驗能夠在較短的時間內觀察到元器件的失效，而且只需要一組試驗樣品。但是兩組應力之間的時間間隔不容易確定。時間間隔太短，則變更應力時的過渡效應會對產品的老化結果帶來影響，時間間隔太長，則與恒定應力加速壽命試驗無本質區別。而且以步進應力加速壽命試驗來確定產品的壽命——應力關系的話，誤差也相對較大。

　　目前一個研究熱點就是利用步進溫度應力和恒定高濕度應力對LED 光源子系統進行加速退化試驗，從而預測其壽命。運用這個方法必須基于以下五個假設：

　　（1）試驗樣品經歷的性能退化不可逆轉，即性能退化過程具有單調性。

　　（2）在每一個加速應力水平下，試驗樣品的失效機理與失效模式均保持不變。

　　（3）在不同應力水平下試驗樣品的加速退化數據具有相同的分布形式，同時利用性能退化數據得到的樣品偽失效壽命在不同應力水平下應服從同一分布類型。

　　（4）試驗樣品具有“無記憶特性”，其殘余壽命與累積的方式無關，僅取決于加載的應力水平和已累積失效部分。

　　（5）可以通過線性或線性化的表達式來描述產品的性能退化過程。

　　一般選定三個步進溫度應力水平和一個恒定濕度應力水平，首先計算具體溫度應力步長時間，然后確定置信度、樣品數量等，當試驗時間到達終止時間，選取擬合程度較高的退化模型擬合退化數據，計算出樣品在恒定高濕應力下不同溫度應力水平的偽失效壽命，*后求出正常應力水平下的光源可靠度分布函數等可靠性特征，并計算出壽命。利用此方法一般測試時間為2000 小時，可以滿足市場需要，但是*終可靠的研究成果還未通過與實際點燃燈具壽命的比對驗證。

　　3. 序進應力加速壽命試驗

　　序進應力加速壽命試驗是樣品在試驗期間所承受的應力按時間等速增加，直至樣品產生足夠的退化為止，該試驗的優點是加速效率*高，試驗時間*短。但試驗的過程中應力隨時間連續增加，為了確定元器件的退化程度與應力- 時間的依賴關系，需要在幾個不同的應力- 時間變化率上重復做幾次試驗，因此這就決定了其統計分析非常復雜，而且試驗裝置比較昂貴，因而較少采用。

　　4. 高加速壽命試驗

　　現在一個LED 可靠性強化試驗方向是在步進應力加速和序進應力加速的基礎上，綜合其它應力條件的高加速壽命試驗（HALT）。根據標準GWM8287，高加速壽命試驗的**步是進行步進溫度試驗。

　　*后根據實際樣品情況在上述四個步驟的基礎上進行序進應力加速循環試驗，把幾種應力條件不斷提高，直到產品失效為止。這種方法的主要目的是找到產品的應力極限，不可預測壽命， 一般試驗時間小于1 0 0 小時。

　　這四種加速壽命試驗各有優缺點，在實際的可靠性研究試驗中應針對不同試驗品特點進行試驗方法的選擇。

　　五、結論

　　目前LED 燈具可靠性和加速壽命檢測方法都在研究當中，不同的研究機構都有自己的研究方向和觀點。筆者認為2000 小時左右的加速測試時間市場可以接受，檢測費用也不會過高，應力加速測試時間結束后，除了測試常用的LED 燈具光通量、色坐標等指標以外，建議可以加上LED 電噪聲功率譜等一些可以反映微觀物理機制改變的可靠性指標。因為光通量的變化并不敏感，加速壽命測試后， 某些LED 燈具實際可靠性結構和微觀物理機制已經發生變化，但是光通量和色坐標并沒有明顯變化， 如果配以其他可靠性指標的測試可以提高可靠性檢測結果的可信度。