影響LED照明燈具壽命的因素很多,除了最常見的散熱不良之外, 根據應用上的經驗造成LED死燈或光衰,變色的原因還有因制造過程中化學物質的污染而造成:
對于下游的應用端, 除了適當的散熱解決之外, 另外在燈具組裝的制程中, 或制作工藝的化學添加物皆須避免所謂化學物質不兼容, LED 照明燈具中不兼容的揮發(fā)性有機化合物, 可以很快損害任何制造商的LED。 這種化學物質不兼容往往是一個局部現(xiàn)象, 發(fā)生在升高的溫度下, 且在具有很少或沒有空氣流動的密封燈具中。
經過LED封裝廠的測試發(fā)現(xiàn)一些已知很容易影響LED正常功能的化學品, 用戶端最好是建立一個完善的化學不兼容的測試評估體系。 有了適當的預防措施, 設計和測試, 影響可以被最小化或直至杜絕。 化學不兼容性的不良影響最為明顯的是藍光、深藍光和白光LED, 很少有觀察到紅光或綠光LED。
設計者應該充分考慮最大限度地減少化學物質之間的影響(主要是LED 的一次光學透鏡Molding 膠與在電子組裝和燈具中用到的各種化學品), 因這些物品搭配在一起可能會損害LED 的光輸出效率, 甚至會使LED 發(fā)生永久性失效現(xiàn)象(如死燈、變色、暗光等等)。 因為化學不兼容性和過高的LED 封裝溫度致使LED 失效的結果是一樣的:即光通量衰減、色溫漂移。
LED可以與哪些化學品, 一起使用, 哪些類型的灌封膠? 能不能灌膠? 灌膠對LED有什么影響?
在化學品影響LED的案例:
⑴對不良樣品LED透鏡進行EDS分析結果如下圖:
?、茖Σ涣紭悠稬ED Silicone 進行EDS因素分析結果有Na和Cl等異常元素出現(xiàn)如下表:
核查這個電路板,結果發(fā)現(xiàn)存在潛在的化學污染物,即有一個粘接透鏡的涂層出現(xiàn)在LED 元件附近(如上述透鏡), LED 與這個粘接涂層發(fā)生了不利于LED 的化學作用。 這種化學物質與LED封裝本體不兼容, 以致LED 出現(xiàn)了永久性失效現(xiàn)象。 因此了解和防止這些LED 與燈具中用到的化學品的不兼容性是極其重要的。
有機硅膠(Silicone, 硅)是各種大功率LED 上使用的有機硅材料,如Cree XPE 的LED。 經均勻混合后注入模具中,在一定的溫度條件下固化一段時間就成型了。 在固化過程中,硅氧烷不會形成任何固定的形狀或結構, 相反, 它們固化成不同長度和形狀各異的隨機形狀。這樣就產生了輕微凝膠狀和具有彈性的有機硅。 也就是說,這些有機硅材料充滿小孔, 因此有機硅具有透氣性和透濕性。 燈泡,或其它固態(tài)照明燈具產品中經常使用的灌封化合物材料, 如灌封膠、皮圈、墊片,在組裝或加工過程中, 在升高的溫度影響下, 這些揮發(fā)性有機化物材料就會揮發(fā)出氣體。
揮發(fā)性氣體的滲透和可靠性變化過程:
在密閉的環(huán)境中(如下面的二次光學或夾具蓋), 任何類型的揮發(fā)性有機化合物將環(huán)繞并擴散到具有多孔質的機硅封裝的LED 中。 在硅膠內部的揮發(fā)性有機化合物會占據相互交織的硅氧烷鏈內的空隙中。 伴隨著熱和LED 發(fā)射的高能光子, 揮發(fā)性化合物會變色并阻擋LED 發(fā)射的光。 這種變色通常發(fā)生在LED 芯片正上方的表面, 因為這是溫度和磁通密度最高的位置。
下圖表示的是揮發(fā)性有機化合物在硅占據的空隙中, 隨著熱和光子能量的作用, 結果揮發(fā)性有機化合物發(fā)生變色現(xiàn)象:
有機硅鏈
可靠性失效現(xiàn)象的一般規(guī)律:
?。?)伴隨著發(fā)光顏色的變化和光通量的衰減, 甚至死燈;
?。?)根據不同揮發(fā)性有機化合物的性質(例如, 分子的大小或其對熱的敏感性), 這種可靠性失效現(xiàn)象會發(fā)生在幾個小時內或幾個星期不等。
(3)發(fā)生這種可靠性失效現(xiàn)象的LED產品一般都是藍光LED或采用藍光芯片與熒光粉封裝的白光LED。
(4)紅光、琥珀光或綠光LED很少或幾乎不會發(fā)生, 因為這些顏色的光是低能量的波長, 因此需要更長的時間才會有反應。
灌封膠對LED的不良影響:
如上面的圖示所述, LED芯片上方封裝膠的變色是由于一個揮發(fā)性有機化合物釋放出顏色暗淡的氣體, 并從外部擴散到有機硅氧烷封裝的LED器件內部。
在大多數情況下,這些滲透到有機硅封裝膠分子的空隙中的揮發(fā)物, 不會損壞聚硅氧烷本身的功能。 在此種情況下, 如果去除上述已變色的LED 上面的的光和密封蓋, 并且繼續(xù)進行老化, 這樣擴散到LED 內部的氣體將又揮發(fā)出來, 并有可能恢復原來狀態(tài), 這就是為什么很多不是在密封的環(huán)境下試驗的LED 很少或幾乎不會發(fā)生類似變色現(xiàn)象。
然而, 作為燈具設計者要特別注意的是, 有相當一部分揮發(fā)性有機化合物(不光是揮發(fā)出有顏色的,大多是揮發(fā)出無色的氣體), 可以破壞封裝膠, 使其膨脹和開裂, 使LED 不能承受的, 由于封裝膠的膨脹和開裂會扯斷封裝內部金線, 從而造成閃爍、 死燈等不良現(xiàn)象。