浅析LED光输出强度衰退的评估[1]

　　摘要：要科学地进行LED 光输出衰退和颜色变化的评估，确保LED 使用的可靠性，不仅需要建立预测模型，而且需要保证一定的试验时间。本文主要介绍了目前报道过的基于LED 电流加速老化实验引起的输出光强度衰退的几种预测模型，并就其局限性做了分析。同时就威布尔分布函数预测功率型LED 的光通维持的结果进行了探讨。希望通过这些研究使业界能提出更具有普适性的预测模型，从而更加客观地为照明行业描述光输出和颜色随燃点时间的变化行为。

　　1 前言

　　随着LED 技术的持续快速发展,特别是白光功率和效率的不断提高, 以高功率LED 为代表的半导体照明器件在近年来得到了飞速的发展，并且在过去几年在不同照明系统(例如，出口信号灯、交通信号灯、通道字母符号和另外的显示形式中得到日益广泛的使用。与传统照明光源相比，LED 具有寿命长、低的驱动电压和快速的响应时间等诸多优点。目前市场上的白光LED 光效普遍为80～90 lm/W[1，2]，其明显高于100W 白炽灯的效率（17 lm/W），尽管有报道宣称到2010 年白炽灯的效率能够达到30 lm/W[3]，仍远低于目前LED 的光效。与荧光灯（85～105 lm/W）光效相比，最好的白光LED（90 lm/W 100W）仍略低于荧光灯的光效。然而，随着固态光源效率的迅速提升，特别是材料生长技术的改进和设计水平的提高，生产出更高效的照明光源是必然的，例如，这里已有报告131lm/W LED（8W）[4]和150 lm/W（9lm）[2]的效率，预计到2020 年，LED 光源将渗透到通用照明市场，白光LED的光效预计将超过200 lm/W[5]。

　　LED 除了上面提到的诸多优点外，这里也存在着很多影响其光效质量的因素，例如，同一批次LED 里的光学初始变量、温度和电学特性依赖及其相关变量随时间的衰退的不一致行为，这些因素在LED 照明产品的结构设计、生产和维护时都需要考虑。例如，对于一批新的LED 来说，起初的光学特性可能由于生长材料的缺陷和制作工序的不同而有差异。结温或外部环境的变化都会对LED 的出光特性和电学参数产生影响，而且，LED 的亮度和颜色也会随着燃点时间的延长发生衰退。其结果，来自同一批次的不同LED 可能有不同的光输出强度退化速率和和颜色改变，如果把多颗LED 集成在一个照明系统里，这种改变势必将造成LED 阵列空间颜色和发光强度的不均匀性，这可能对于大的彩色显示，尤其是各种影像系统的照明而言是个很大的问题。

　　本文总结了目前报道过的基于电流加速老化进行输出光强度衰退的几种预测模型。并就其局限性做了分析，同时就威布尔分布函数预测功率型LED 的LM-80 光通维持的结果进行了分析。希望通过这些分析使业界能够提出更具有普适性的预测模型,从而更加客观地为照明行业描述光输出和颜色随燃点时间的变化行为。

　　2 电流老化实验进行光强度衰退评估

　　LED 光谱的衰退现象能够明显影响到LED 产品的性能。LED 光谱的衰退问题，特别是同一批次LED 的衰退过程的差异性问题，例如封装热阻的差异，电流负载和工作基板温度等等。由于上面所提到的因素可能影响到LED 产品的质量，这就需要找到一个客观的能对LED 产品质量性能进行客观的评估方法。这里有很多引起光谱的衰退的原因报道，譬如说由于高的外加电流应力导致的LED 内部结温的增加，发光区域非辐射复合中心的增加，造成光谱的衰退[6-8]。也有研究学者认为，由于P-N 结过多的热量致使荧光粉转化效率降低的结果，从而引起LED 光谱的衰退[9]。此外，封装环氧树脂的衰退也是被认为是导致LED光谱强度衰退的原因题[10，11]，因为使用环氧树脂封装材料限制LED 工作温度一般不能超过120 度。由于市场上的白色LED 不论从前道芯片的生长还是后道的封装形式五花八门，从芯片到周围环境的传输热量能力也就不同。因此，估计不同的产品对结温有不同衰退速率是合理的。

　　当前，最好的LED的寿命将达到10,0000小时，在正常工作条件下验证其光谱强度随燃点时间的变化关系有点不可能。运用加速老化的质量评估方法可以在最可能短的时间内定量评估LED品质的重要因数。结温是影响LED光衰减的重要原因，结温的升高会使LED光衰很快。LED在高电流工作条件下会产生更多的热量，从而加速老化。这里已有很多关于温度与LED电、光（强度和颜色）特性的相关报道。其中，LED强度随燃点时间的衰退模式是最有兴趣也是经常争论的焦点。目前，很多基于电流加速老化进行输出光强度衰退的预测模型相
续被提出。下面，我们将主要讨论如下4种评估模型。