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。
Yanagisawa[12]运用了
三参数模型研究了在施加正向电流应力条件下GaN 基蓝色LED 光输出的加速退化行为。该模型依据强度衰减作为时间t 和电流i 的函数。通过对单一类型小功率级GaN 级白色LED 的实验考察时发现，在40，60，80mA 电流应力下，衰退到50%流明维持的测试时间和模型估计的时间显示出很好的相关性。比较可惜的是，由于缺少在正常电流应力条件下的实验数据加以验证该模型，所以,该模型预测结果的有效性得不到验证。
Chuang[13]提出II-VI 化合物半导体LED 在持续电流老化条件下光输出衰减的理论动力学模型。该模型考虑到了外加电流以及LED P-N 结结温升高对光输出的影响。通过与3mm树脂外壳封装的小功率B-LED 实验结果的比较，理论上得出的结果与实验上通过电流老化导致的光输出衰减的结果基本一致。然而，该模型纯粹是基于理论推导的结果，它是从LED光输出强度衰退模式与LED 初始量子效率、所加载的电流以及LED 结温之间关系的线形中得到的。运用该模型进行理论评估时，其要求在实验上测试使用的所有LED 初始光通亮，或者提前知道衰退模式的线形。只不过，衰退模式的线形很难做到，因为不同类型之间的LED 的衰退模式有时候变化的非常大。
更重要的是该模型是只是考察了II-VI 化合物半导体LED，GaN 基III-V 化合物半导体LED 是否适合还有待进一步来验证。因为以AlInGaP 为代表的II-VI 化合物半导体LED 与GaN 代表的III-V 族化合物半导体在结构上有很大的差异性，早期的研究结果表明GaAs 和GaAlAs 基底LED 在加速寿命实验中发射强度的衰减和燃点时间的平方根成正比。但这样的关系对于GaN 基LED 相关数据并不是十分的符合[14]。这就给该模型预测的普适性带来困难。
Narendara[15]运用电流加速试验和改变结温[16]的方法来估计LED 的寿命。该方法是通过指数模型来拟合归一化的强度衰减曲线。在实验上，通过选择不同的注入电流或不同LED结温度得到的衰减系数
来决定模型的参数，进而预测在正常工作条件或下LED 的寿命。
(2)式中，i 为所加电流，
为任意工作电流下的衰减系数， 
为不同工作结温下的衰减系数。实验上得出的结果虽然与预测结果相对一致，然而，利用测试的衰减系数并通过指数外推的方法来得到任一电流或任一结温下LED 寿命的预测都存在一个致命的缺陷，那就预测误差不能被评估。
Grillot 等人[17]通过对
发光强度衰退的研究提出如下的经验公式，用来定性评估发光强度与施加电流应力的关系。
式(3)中J 代表所施加给LED 芯片的电流密度，D1、D2、D3、D4 是与电流应力和所施加电流应力时间无关的常数。实验上通过对LED 施加不同的电流应力的实验结果发现，只要施加电流应力时间足够长和足够高电流密度，预测和测量所得到的结果一致性也非常越好。不足的地方就是虽然此衰退模型考虑了外加电流和所加时间对LED 出光特性的影响，但没考虑因外加电流导致LED 内结温的升高对测试结果的影响。而我们也知道，LED 结温是影响LED 光电特性中一个最为关键的因素。
总之, 所有预测方法的提出其目的只有一个，那就是在尽可能短的时间内获得客观的LED 寿命预测。由于很多因素可以促使LED 光输出的衰减，所以，基于电流加速老化进行输出光强度衰退模型应尽可能融入多个影响LED 质量参数的可靠评估方法来识别LED 不同的衰退模式，从而进行更科学的分类。而目前的问题就是，制造商经常按照产品的初始强度、颜色、正向电压等特性来进行LED 分类。然而，随着人们对LED 照明视觉的追求和LED照明产品日益广泛的应用，这种分类方法显然不能满足应用发展的需求，因为商标上所给出的变量在分类后对于照明要求的符合程度偏离很大。此外，LED 通常在开始工作阶段经历快速的强度变化，然后进入一个较为有规则可寻的退化模式。尽管这种变化对于大部分产品来说是没什么用的，可对于更高要求的LED 照明产品来说，可在正常工作条件下对所购买的LED 进行老化，然后进行新的分类。
3 威布尔分布函数预测功率型LED 的寿命
在IESNA 照明手册上并没有灯的寿命这个术语，但传统上通常把50%测试灯失效的时间定义为灯的寿命。不同与传统照明光源，LED 光源几乎很少发生灾难性失效，但其光输出会随着燃点的时间缓慢降低。基于之前研究的人眼对光输出水平降低的响应[18]，并考虑到在额定负载电流条件下LED 发光强度和颜色衰退与结温的函数关系，ASSIST 给出两个用于通用照明的LED 部件和系统使用寿命的定义，定义通用照明设施的使用寿命为70%流明维持时间，但这个定义并不是对所有用途的照明光源使用，例如对于装饰照明的光源来说，使用寿命定义为50%的流明维持时间。
最近 Philip 依据 LES LM-80-08《测量LED 光源光通维持批准的方法》率先在线发布光通维持的LM-80 测试报告[19]，报告详细给出了统一应力条件和注入电流条件下(例如,在DB03：LM-80 测试报告第5 页，试验时的应力条件为：85℃，0.35A，基座温度Ts=85℃，环境温度Ta=84℃)80 个LED 在1000h、1500h、2000h、3000h、4000h、5000h 和6000h的光输出数据采集，且该数据用24h 输出光通量归一化后，用威布尔分布函数预测功率型LED 的使用寿命。然而，从指数外推的结果看，竟然有负的L70 寿命出现，这是不可接受的。在公布的DR-03 上同时也列出了
和
的值。其中，
为外延回归系数，为相关系数，代表了回归平方,如果越接近于1，表明拟合程度越好。DR-03 单个LED的值(例如, 试验时的应力条件为：55℃，0.35A，基座温度Ts=69℃，环境温度Ta=73℃)来看，80 个测试的样品中大于0.5 的不到一半，说明拟合程度并不好，这也暗示至少对于所测的样品批次而言，运用此种外推模型并不能很好的进行寿命的预测。而且，LED的衰退并不是一成不变，一种模式进行下去的，有的LED 指数衰退可能发生在燃点几千小时后才开始显示出衰退行为, Cree 公司也报道了5000 小时后的光通维持衰退模式与早期相比有明显的不同[20]。
由于材料和制造工艺的差异，不同制造商的 LED 的光通维持性能可能存在巨大差异,LED 燃点1000 小时后再进行测试，然后通过指数外延推测LED L70 或L50 的光通维持进而推算LED 使用寿命并不具有普适性，至少从已经报道的结果来看。也许对某些制造商生产的LED 产品来说，2000 小时、3000 小时或更大才是最佳的开始光通测试时间点。因此需要深入研究影响不同种类功率型 LED 光通维持率的因素，并希望通过这些研究来提出更具有普适性的预测模型，从而更加准确地为照明行业描述LED 光通维持特性。
4 结论
LED 外部封装材料的热阻不同必然导致在相同的电流驱动下有不同的结温，这势必造成同一批次的LED 有不同的光谱衰退速率，另外，就是终端产品设计上电流循环回路上温度梯度的差异性也会导致同模组内各LED 结温的差异，引起不同的LED 光谱衰退速率。所以，对同一批次内LED 光谱强度和颜色随时间的衰退程度的评估是非常需要的，特别是对那些要求较高的光谱稳定性的LED 产品来说，例如，LED 彩色显示屏和用于仪器可视系统的照明等。作为前面所表述的，LED 光源的长寿命是其一大优势，不仅单颗LED，其最终的集成系统也将由于使用长寿命LED 而相对工作更长的时间。但有一点是肯定的，单个LED的长寿命并不代表整个集成系统后整个照明系统也具有长寿命。如何确保LED 系统运行稳定性的同时还兼有更长的寿命，这里仍有很多工作需要研究。其中，影响光性能质量参数的选取以及涉及单颗LED 和多颗集成的LED 普适性的质量可靠评估模型仍有待进一步研究。总之，LED 要想真正进入大照明领域，除了要有高标准的初始特性和良好的性价比之外，还必须要有令人信服的可靠性作支撑。在不远的将来，LED 作为一种主要的高效照明光源可能成为照明应用的主流，所以，理解和评估影响LED 质量的因素，特别是使用期间强度的稳定性和颜色的一致性对于LED 未来的发展来说变的日益重要。只要我们彻底弄清影响LED 品质的各种因素，针对其光输出衰减原因和颜色退化的机理，设计出合理的结构，选用适当的可靠性高的原材料，严格按工艺条件和作业标准控制程，就一定能够制造出高固有可靠性的LED，以满足日益增长的市场需求。
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