浅析大功率LED照明应用产品的老化.doc

浅析大功率LED照明应用产品的老化

王劲 刘乃涛 梁秉文
（南京汉德森科技股份有限公司）

摘要：以一种老化设备为例，说明了确定大功率LED老化参数的基本方法，并以实际数据确定了最佳的老化参数。
关键词：大功率LED 老化 色坐标 光通量

一 引言
随着大功率白光LED应用的推广，其应用范围越来越广泛。但由于原材料与工艺的影响，白光LED在使用中有一个核心的问题难以突破，即色差的问题。目前绝大多数的使用场合，都是很多LED放在一起使用，很明显的色差会影响光的一致性，从而使LED的使用受到限制。因此在使用前，必须对LED进行老化。
老化是电子产品可靠性的重要保证，是产品生产的最后必不可少的一步。LED产品在老化后可以提升性能，并有助于后期使用的性能稳定。
现在的问题有两点：
1. 如何确定大功率LED已经老化到位了？
2. 老化参数的设置如何对应于产品性能的提高？
我们依据下图（老化时间与故障率的关系）来作为对以上两个问题的判断标准，即：在产品性能是否达到稳定来进行判断。

图一 老化时间与故障率的关系
上图所示为著名的“浴盆”曲线，左边斜线部分为早期故障率，其故障率一般较高且随着时间推移很快下降。曲线中部为使用寿命期，其故障率一般很低且基本固定。最右部为耗损期，失效率急速升高。电子产品制造商一般通过测试、老炼、筛选等手段将早期故障尽量剔除，然后提供给客户使用。当使用寿命期将尽，产品也即将进入故障高发期，需要报废或更新换代了。

二 设备支持
为对大功率LED产品进行老化，我们开发了一款老化设备。该设备提供一定的恒定电流，其值350mA±30mA，夹具部分能够在环境温度为0-70℃条件下长时间工作，并且其夹具为大功率LED提供良好的散热性能（在0-70℃内），可以提供易于取放大功率LED的工装夹具等。考虑到实际应用的方便，该套设备可以提供良好的可视效果，每套设备可以同时老化16路，48颗大功率LED。该设备有开路和不正常显示及短路保护功能。
老化设备散热器在设计之初，经过CAE计算，选用截面为301mm×51.5mm×150mm，翅片高度41.5mm，翅片厚度2mm。截面图如图二：

图二 散热器结构外观图
环境温度25℃时，该老化设备在满载情况下散热片的温升见图三：

图三 25℃时老化设备在满载情况下散热片的温度分布图
环境温度70℃时，在强对流情况下，该老化设备在满载情况下散热片的温升见图四：

图四 70℃时老化设备在满载情况下散热片的温度分布图
可见，环境温度70℃时，该老化设备在满载情况下，达温度平衡时散热片的温度为83℃，LED从芯片到底座的热阻为16℃ /W，从LED底座到散热其表面的热阻经测试约20℃ /W，由于LED芯片到散热器间的热阻是串联关系，芯片最高承受温度为125℃，据此推断，该散热器的设计是符合散热要求的，可以达到老化的目的。
据此计算数据，我们将48颗大功率LED放入到LED老化设备夹具中，将其放在55℃恒温箱中进行了老化。恒温箱内置风机，以使散热器温度和烘箱温度基本保持一致。老化后进行测试，通过数据来具体判断老化时间。

三 数据分析
试验中使用设备及参数如下：
温度：55 ℃
设备：中温烘箱、自制老化台
测试：远方积分球测试
样品：1w大功率白光led
数量：48 pcs
老化时间：按天累计
下面任挑一组数据：
为了观察方便，我们只选取重要的一些数据。
时间
x
y
色温(K)

光通量(lm)
主波长(nm)
0
0.3063
0.3124
7068
32.039
480.9
第1天
0.3061
0.3131
7065
53.916
481.4
第2天
0.3023
0.3105
7325
48.207
481.5
第3天
0.301
0.3093
7461
39.407
481.4
第4天
0.3033
0.3106
7268
40.556
481.2
第5天
0.3021
0.3107
7335
39.374
481.7

图五 老化时间与色坐标的变化图
图五中数字表示开始的日期单位是天（24小时）。从色坐标变化趋势来看，在老化进行2天，即48小时后，色坐标的变化范围缩小。
图六是光通量与老化时间的关系图；

图六 光通量与老化时间的关系图
从图六中可见，在老化1天，即24小时后，白光光通量升高，然后随着老化时间的增长，光通量下降，老化到第三天后，光通量趋于稳定。在老化前期白光光通量升高的原因，我们认为主要是和制造工艺有关，或许与胶、粘结剂中的水分、挥发物、物质相互扩散、位错或杂质聚集或移动等有关。
光通量和色坐标是衡量LED的最重要的参数值之一。从数据我们得到如下结论：
1. 对应于此老化设备，老化程度已经到位，已经基本使产品到了稳定工作区间；
2 对光通量而言，老化3天后可以达到稳定状态，对于色坐标而言，老化2 天后可以使变化区间较小。
因此可以说，在合适的老化设备、合适的老化参数下，LED的性能可以得到有效的控制。其老化规律符合浴盆曲线。只要对LED连续老化16小时或者24小时，如果参数变化不大，可以认为已经度过早期故障期，那么就可以放心使用了。

四 结论
老化是LED产品生产所必需的一步，通过老化可以排除早期使用可能产生的故障，有利于产品性能稳定。但LED 的老化与老化设备的关系很大，针对特定的老化设备与LED，必须在保证充分散热的情况下，以试验来确定最佳老化时间。对于我们目前的老化设备与LED，老化2天（48小时）可以达到最佳效果。

参考文献
[1] 姚仲鹏 王瑞君 传热学 北京：北京理工大学出版社，2000
[2] 范宏昌 热学 北京：科学出版社 2003
[3] 马春雷，鲍超 一种高功率LED热阻的测试方法 光学仪器 2005，27[2] 13~17