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LED照明灯具的可靠性及安全标准分析
2016-07-15     来源:日用电器    作者:朱秋曙 沙磊 唐家麒 李敏 王英程    浏览:442    评论:2        
导读:摘要:LED照明产品在近几年发展迅速,产品市场增长非常快。在各种各类的新型LED照明产品出现于市场上的同时,其可靠性及安全性也出现了许多隐患。本文着重对LED照明灯具的可靠性及应满足的安全标准要求进行分析综述。

摘要:LED照明产品在近几年发展迅速,产品市场增长非常快。在各种各类的新型LED照明产品出现于市场上的同时,其可靠性及安全性也出现了许多隐患。本文着重对LED照明灯具的可靠性及应满足的安全标准要求进行分析综述。

关键词:LED照明灯具;可靠性;安全标准

概述

这几年,随着电子技术飞速发展,发光二极管(LED)获得突破性进展,使这种由电能转换成光的半导体器件进入照明领域,由于它丰富多样的颜色光,方便选色和变色的优势,适合应用于普通照明、交通信号、航标、广告、庭园及建筑物景观照明等需要多种颜色的场所。为了适应各种LED照明灯具的安全要求,相关检测技术标准及技术规范也迅速发展,最近新颁布的国际标准、国家标准及行业或地方标准数量也较多,且还有一部分LED照明产品国内外标准也正在制定和完善中。

1 LED照明灯具可靠性相关内容分析

1.1 LED照明灯具可靠性问题

LED照明灯具可靠性所涉及内容较多且复杂,从LED芯片制作工艺、模块封装、驱动电源设计,到最后LED器件与灯具进行整合组装成为可直接接入市电的灯具产品,这一系列技术都制约着LED照明灯具的可靠性问题。以下对LED器件可靠性有关基本概念进行分析。

1.2 十度法则

“十度法则”是指某些电子器件在一定温度范围内,温度每升高10℃,其主要技术指标下降一半(或下降1/4)。综合国内外案例及相关资料发现,LED器件热温度在50℃至80℃时,LED寿命值基本符合下度法则。同时,LED器件会因为在封装工艺上的不同,而导致本身随着温度的上升,平均寿命值下降,甚至能下降一半以下。这一特性使LED器件在高温环境下工作受到限制[1]。

1.3 本质失效、从属失效

LED器件失效通常有两种情况:本质失效和从属失效。本质失效指LED芯片本身引起的失效。从属失效是由封装结构材料、制作工艺引起的失效,其中包括封装结构所用到的材料、工艺、温度等因素。以上两种失效都会导致整个LED照明灯具的失效,从而影响后期制作的LED灯具可靠性。

1.4 LED器件可靠性

LED器件是形成LED照明灯具的核心器件,其可靠性直接影响着LED照明灯具的整机性能。LED器件可靠性主要取决于两个部分:外延芯片及器件封装的性能质量。

1.3.1 影响外延芯片性能及质量的,主要是与外延层特别是P-N结部分的位错、缺陷数目和分布情况,金属与半导体接触层质量。芯片在加热加电条件下,会逐步引起位错、缺陷、表面和周边产生电漂移及离子热扩散,使芯片失效,即是上面所说的本质失效。要提高外延芯片可靠性指标,从根本上要降低外延生长过程中产生的位错和缺陷,提高金属与半导体接触质量,从而提高工作寿命的时间。LED封装热流模型见图1。

1.3.2 从属失效是由于LED封装引起的,原因复杂,可分为以下内容:

1)封装材料质量不好,比如导电胶、硅胶、荧光粉、环氧、固晶材料、基座等。 
2)不合理的封装结构设计,比如产生应力、引起断裂、材料不匹配等。
3)工艺技术不成熟,比如固化温度、压焊、封胶、装片和时间等。

为了提高封装可靠性,在选用原材料方面要严格控制质量,在结构上除了出光效率和散热需考虑,同时需考虑多种材料结合在一起时的热涨匹配问题。在工艺上,除了每道工序的工艺流程需严格控制外,还需不断完善制作工艺技术,保障LED器件性能和可靠性指标。

1.5 LED照明灯具散热可靠性

LED照明灯具的散热水平是决定本身可靠性的关键,因此提高散热水平是关键技术之一。解决芯片产生多余热量可通过热沉、散热体传出去进行解决,其次灯具散热结构因尽量设计合理,以下是传统的散热设计模式:

LED灯具结构的散热水平也关键技术之一,除了要考虑灯具的外观、效率及配光以外,灯具的成本也是必不可少的一个设计环节。

提高散热水平,参考以往实验资料,可以做到以下几点措施:

1) LED芯片方面,要选用新工艺、新结构,提高LED芯片结温的耐热性,降低散热条件。
2) LED器件的热阻尽可能降低,选用耐热性、导热性较好的新材料,包含荧光粉的混合胶、金属之间粘合材料等,使得热阻≤10℃/W或都更低(见图2)。
3) 控制升温,降低器件的升温,采用导热性好的散热材料,较好的通风孔道,使余热短时间内散发出去,要求升温控制在30℃以内。
4) 合理的散热,比如利用热导管,但性价比低,原因是结构复杂,成本高。

随着LED技术发展的加速,新技术的不断产生,导致LED的发热也越来越厉害,所以,除非不断提高散热水平,否则会极大地影响LED灯具的性能及寿命。

2 LED照明灯具的安全国际标准

2.1 涉及安全国际标准

目前已有的灯具安全国际标准系列:IE C60598系列,适用于LED灯具,其中包括IEC 60598-1:灯具 第一部分 一般要求与试验,和IEC 60598-2系列:具体灯具产品标准系列。

2.2 LED照明灯具安全标准分折

LED照明灯具与传统照明灯具一样,须满足国际标准IEC 60598-1通用标准及IEC 60598-2特殊标准的要求。与此同时,LED灯具还应满足光生物安全要求,这里着重讲述IEC 60598系列的相关要求[3,4]:

2.2.1  按防触电保护型式,LED照明灯具分类为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。目前,市场上许多LED产品都未能按照标准要求在灯具上明确标出其分类情况,同时,也有部分制造商,将Ⅱ类LED灯具认为是LED灯使用低电压,忽略了其驱动电源仍然是高压输入,从而错误地将这类产品标识为Ⅲ类灯具。

2.2.2  通过结构设计把灯具的光学系统、电气系统和热系统的位置和相互关系确定机械的作用,使灯具得以安全使用。由于LED 光源的特性,LED 灯有封装、模组、LED 驱动器、整体式LED 灯、非整体式LED 灯等几种形式,除了最后两种形式可能具有与传统光源灯具类似内部结构以外,其他LED 灯不带有标准灯头,这种情况下,LED 灯具具有如下结构特征:

1)不配有灯座的LED 灯具,直接由连接件进行电气连接,并采用其他方式将LED 灯固定到灯具主体上。
2)LED芯片的导热系统,采用大量的散热片,因此灯具的体积和重量比传统光源灯具大,灯具的安装结构应作相应考虑,以保证安装的安全性和可靠性。同时散热片应设计成容易清洁或不容易积灰的结构,否则,会加快降低散热片的效率。

另一方面,LED照明灯具在进行电气强度和绝缘电阻试验时,带驱动电源的LED灯具,驱动电源也是考核的重点内容之一。驱动电源试验内容有输入带电部件与灯具外壳之间,同时,驱动电源是否为隔离电源,关系到对LED模组的电气强度时使用试验电压,因此如果为隔离电源,LED模组认为安全特低电压进行试验,否则,按非安全特低电压进行试验。

最后,关于LED灯具的正常热试验和非正常热试验,是考核LED灯具在这两种工作模式下反发出的热量,是否影响整个灯具以及驱动电源的安全性。因此,灯具使用的导线、配件(如接线端子、灯座等)、安装表面以及驱动电源的外壳都是重要考核内容。如果采用内装的驱动电源,灯具应根据其内环境温度选择标有相应tc 的驱动器。而驱动器独立安装时,则应根据安装的可能的环境温度选择相应tc 驱动器。

3 结束语

随着LED技术的不断提升和人们对绿色照明概念的认知能力不断提高,这对LED制造商的水平要求也不断提高,不仅要熟悉LED灯具的技术,还要掌握国内外的标准变化,更进一步完善自身制造水平和工艺。同时在设计上要充分考虑LED 灯具光学、热学和电学特性与机械性能、散热设计、安装结构、美学这几方面的问题,只有将它们作为一个整体、系统地优化,才能设计出符合现行LED 灯具标准要求的产品。

参考文献
[1]周志敏,纪爱华.LED、OLED照明技术与工程应用[M].北京:电子工业出版社,2011.
[2]毛兴武,张艳雯,周建军,祝大卫.新一代绿色光源LED及其应用技术[M].北京:人民邮电出版社,2009.
[3]IEC 60598.灯具的一般要求和安全要求[S].
[4]IEC 61347.灯的控制装置[S].

 

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