摘要：研究了电流和温度应力及其共同作用时对LED球泡灯可靠性的影响，并分析各应力下LED球泡灯的失效机理。在室温情况下，以电流为加速应力时，主要失效方式为蓝光芯片的退化；随电流应力的增大，荧光粉退化逐渐变为主要的失效方式，LED球泡灯的相关色温上升，显示指数增大。在温度应力或电流-温度联合应力作用下，荧光粉退化严重，出现黑化现象。此外，灯具、驱动电源、LED支架等都发生黄化和变黑现象。结果显示温度应力比电流应力更能加速LED球泡灯失效。
关键词：LED球泡灯；电流；温度；加速应力；可靠性
一、实验
选取市场上某品牌的同批次白光LED，采用“6串联5并联”连接方式构成LED球泡灯的光源模组，白光LED由蓝光芯片激发YAG：Ce黄光荧光粉形成白光。设计了4种驱动电流的同款散热器的LED球泡灯，每组灯具为10个，正常工作电流大小为250mA，加速电流大小分别为300mA、350mA、450mA，平均每颗白光LED芯片工作电流分别为50mA、60mA、70mA、90mA。调节工作电流大小均通过内置驱动电源改变，可代表球泡灯本身的工作电流，并非外界强加电流应力。再平均将每种电流大小的灯具分为两组，一组在室温下老化，另一组灯具放入55℃的高温老化箱中加速老化。固定记录的时间频率，使用积分球测量每一个球泡灯的光通量、色坐标、色温、显色指数和光谱等光电性能。老化实验结束后，拆解相应LED球泡灯，进行红外热分布测试，以及老化前后单个白光LED的伏安特性测试。
（一）电流单应力试验
在电流单应力老化试验情况下，从图2可知，LED球泡灯的光通量在前200小时内的变化类似，在50小时时出现5~10%的衰减，然后趋于稳定工作；当电流应力增大，球泡灯光通量衰减越快，对于电流应力为250mA、300mA、350mA时，球泡灯的光通量衰减为5%，而电流应力450mA时球泡灯的光通量衰减却增大到10%。6720小时后，正常工作电流250mA驱动下的球泡灯表现得十分稳定，仅衰减至83.41%；工作电流为300mA、350mA和450mA的灯具光通量分别衰减至73.04%、68.96%和52.21%。
LED球泡灯的色坐标、色温和显色指数等特性随老化时间的变化如图3（a）-（c）所示，工作电流为250mA、300mA、350mA的LED球泡灯的色坐标（x，y）值基本保持不变，并且色温在6500-6750K范围保持稳定，显色指数较稳定；但电流为450mA老化的LED球泡灯则在3600小时左右出现色坐标迅速下降同时色温迅速上升，色温从起始6496K上升至8801K，整体出光往冷色调偏移。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从图3（d）的荧光粉（IY）与蓝光（IB）发射强度的比值R（R=IY/IB）可以明显看出，在260mA、300mA、350mA三种电流老化下主要呈现出荧光粉与蓝光发射强度之比在逐渐上升，且驱动电流越大上升越快，说明电流应力老化过程中蓝光芯片退化比荧光粉衰减更厉害，球泡灯的主要失效方式为蓝光芯片的退火；而在大电流450mA应力老化下，荧光粉与蓝光发射强度之比存在急剧下降的趋势，说明荧光粉的衰减比蓝光芯片更严重，可能是由于大电流驱动LED球泡灯光源模组时产生大量的热量，灯具散热能力不足以支撑450mA大电流工作的散热要求，导致结温和灯具温度同时升高，加上大电流情况蓝光芯片光通量增大导致荧光粉自发热现象严重，使荧光粉胶体的温度过高导致固化胶老化和荧光粉退化均使荧光粉激发效率下降，被激发的黄光发射强度降低，出现荧光粉快速失效，导致球泡灯色温严重往冷色调偏移，色坐标减小，显色指数增大。
（二）电流-温度双应力试验
在电流单应力研究基础上，加入温度老化因子，进行电流-温度联合应力的LED球泡灯老化试验。将250mA和300mA、350mA和450mA等电流驱动的灯具放入55℃的高温老化箱内进行电流-温度双应力的老化试验，结果发现在250mA与55℃的电流-温度联合应力作用下，球泡灯光通量衰减明显加快，老化6720小时后，光通量衰减至原始值得54.34%，相比于电流单应力情况下250mA驱动的球泡灯光通量衰减只有初始值的83.41%。而55℃时在300mA、350mA和450mA等驱动电流下的球泡灯的光通量分别衰减至44.87%、35.31%%和19.47%。因大电流和高温双应力作用下球泡灯失效严重，因此，选取250mA和300mA驱动电流与温度应力进行研究。图6（a）表示球泡灯的光通量在电流-温度联合应力作用下的变化情况，在初始50小时内变化不大，而之后在电流-温度联合应力作用下光通量衰减程度明显加快，4000小时后都衰减到70%以下。
在电流单应力试验中，仅在大电流450mA情况下色坐标、色温和显色指数才发生严重偏移，小电流250mA和300mA保持较稳定；而从图6（b）-（d）与比较可以看出，在温度-电流双应力试验中250mA和300mA驱动的LED球泡灯均出现明显的色坐标减小和色温上升的现象，并且300mA比250mA变化严重，同时显色指数略有升高，这是与在室温下电流为250mA和300mA老化后表现较为稳定的现象不一致，说明荧光粉退化和封装胶体的黑化主要跟温度有关，高温能引起封装胶体黑化导致封装胶体透光率变小和YAG：Ce荧光粉的荧光转换效率变差。
（三）电流单应力试验加速LED球泡灯寿命的预测
电流-温度双应力老化加速试验是基于单应力试验上的更为快速更复杂的老化试验，不能单独将温度单应力的老化情况或者电流单应力老化情况相加或者相乘作为双应力与灯具老化之间的关系，双应力之间存在一定相互影响的作用[23，24]。本研究通过电流、温度和电流-温度双应力等分别作用LED球泡灯进行失效分析，研究了LED球泡灯的光通量、色坐标、色温、显色指数、光谱、伏安特性和灯具的红外热分布等光电性能的变化规律，结果发现电流作为单应力老化试验时不但能产生电流应力，同时在大电流情况下工作温度上升产生温度应力。因此，电流应力对LED的可靠性分析具有重要应用价值。基于老化数据和已有的寿命预测模型，我们进行对不同电流大小的LED球泡灯进行寿命预测。研究认为，电流单应力寿命模型相比于温度单应力下寿命预测模型更适用于LED球泡灯的实际老化寿命，与上文研究内容相互印证。
二、结论
LED球泡灯在温度、电流单应力和温度-电流双应力作用下进行老化可靠性试验，通过光通量、色坐标、色温、显色指数、发射光谱及其灯具结构的变化来讨论失效机理。大电流会造成芯片光电特性的下降，但电流过大同时带来大热量造成荧光粉退化；温度-电流双应力老化能加速灯具老化的试验周期，在高温和大电流条件下造成荧光粉退化更严重。
参考文献：
[1]蓝栩砚，杨欣，宿世臣，章勇.电流和温度应力对LED球泡灯可靠性的影响[J/OL].激光与光电子学进展：1-12[2018-12-02].
论文作者:李庆
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/16
标签：电流论文; 应力论文; 荧光粉论文; 温度论文; 球泡论文; 光通量论文; 色温论文; 《防护工程》2018年第31期论文;