LED 灯具失效的原因及其分析
LED 照明产品失效主要表现为光衰严重（衰减到初始光输出的70％或50%)、灯具闪烁和灯具熄灭。其失效的原因可以主要归纳为 LED 光源失效和 LED 驱动电源失效。
一、 led知识，什么是LED 光源失效
LED 光源失效模式主要有芯片失效、封装失效、热过应力失效、电过应力失效以及装配失效，其中尤以芯片失效和封装失效最为常见。以下主要介绍芯片失效、封装失效、热过应力失效、电过应力失效四种模式。
1．芯片失效
芯片失效是指芯片本身失效或其他原因造成芯片失效。造成这种失效的原因往往有很多种。芯片裂纹是由于键合工艺条件不合适，造成较大的应力，随着热量积累所产生的热机械应力也随之加强，导致芯片产生微裂纹，工作时注入的电流会进一步加剧微裂纹使之不断扩大，直至器件完全失效。其次，如果芯片有源区本来就有损伤，则会导致在加电过程中逐渐退化直至失效，同样也会造成灯具在使用过程中光衰严重直至不亮。再者，若芯片粘结工艺不良，在使用过程中会导致芯片粘结层完全脱离粘结面而使得样品发生开路失效，同样也会造成 LED 在使用过程中发生"死灯"现象。导致芯片粘结工艺不良的原因，可能是由于使用的银浆过期或者暴露时间过长、银浆使用量过少、固化时间过长、固晶基面被污染等。
2．封装失效
封装失效是指设计或生产工艺不导致器件失效。封装所用的环氧树脂材料，在使用过程中会发生劣化问题，致使 LED 的寿命降低。这种劣化问题包括光透过率、折射率、膨胀系数、硬度、透水性、透气性、填料性能等，其中尤以光透过率最为重要。有研究表明光的波长越短，光透过率的劣化越严重，但是对于绿光以上波长（即大于560nm）来说，这种影响并不严重。 Lumileds 在2003年曾公布过功率 LED 白光器件和5白光器件的寿命实验曲线，在19000 h 后，用硅树脂封装的功率器件，光通量仍可维持初始的80%，而用环氧树脂封装的对比曲线则表示，在6000h后光通量维持率仅为50%。实验表明，在芯片发光效率相同的情况下，靠近芯片的环氧树脂明显变成黄色，继而变成褐色。这种明显的退化过程，主要就是由于光照和温升引起的环氧树脂光透过率的劣化所造成的。与此同时，在由蓝光激发黄色荧光粉发出白光的 LED 中，封装透镜的褐变会影响其反射性，并且使得发出的蓝光不足以激发黄色荧光粉，从而使得光效和光谱分布发生改变。
气密性不良导致产品高温后失效， LED 封装后产品气密性的好坏，决定产品在各种环境条件下使用的可靠性，因放置环境及时间的影响，导致产品吸潮。在高温焊接时，加热初期，微量的水蒸气压力使树脂接口分层，水蒸气的压力随着焊接温度升高，使树脂膨胀开裂，水蒸气透过树脂裂痕排出，树脂膨胀时的应力拉断第二焊点金丝
以及银胶脱离，导致失效现象。在光电行业里 LED 的气密性指标是评价产品质量水平的一个重要的指标。产生气密性不良的原因有：支架和环氧的选型是否匹配，固化条件的管控，支架表面清洁程度，特殊工艺的实施保障等。
对于封装而言，还有一个影响 LED 寿命的重要因素就是腐蚀。在 LED 使用中，一般引起腐蚀的主要原因是水汽渗入了封装材料内部，导致引线变质、 PCB 铜线锈蚀。有时，随水汽引入的导电离子会驻留在芯片表面，从而造成漏电。此外，封装质量不好的器件，在其封装体内部会有大量的残留气泡，这些残留的气泡同样也会造成器件的腐蚀。
3．热过应力失效
温度一直是影响 LED 光学性质的重要因素，而在研究 LED 失效模式的时候，国内外学者考虑到将工作环境温度作为加速应力，来进行 LED 加速寿命实验。这是因为在 LED 系统热阻不变的前提下，封装引脚焊接点的温度升高，则结温也会随之升高，从而导致 LED 提前失效。
Hsu 等人对不同厂商所提供的 LED 样品进行加速寿命实验，该实验将 led 样品分别置于80℃、100℃、120℃下，使用3.2V电压驱动，并且规定当样品的光功率下降到起始值的50％时，即判定为失效。实验结果表明：高功率 LED 的寿命随着加速寿命实验温度的升高以及加速时间的增加而减小。在加速寿命实验中， LED 结温升高会使得环氧树脂材料发生异变，从而增加了系统的热阻，使得芯片与封装之间的受热表面发生退化，最终导致封装失效。
4．电过应力失效
LED 若在过电流的情况下使用或者静电冲击损伤了芯片，都会造成芯片开路，形成电过应力失效，例如， GaN 是宽禁带材料，电阻率较高。如果使用该类芯片，在生产过程中因静电产生的感生电荷不易消失，当其累积到相当的程度时，可以产生很高的静电电压，该电压一旦超过材料的承受能力，就会发生击穿现象并放电，使得器件失效。
LED 光源的寿命主要表现为光衰，通常把 LED 光输出衰减到初始光输出的70％或50％作为判断寿命失效的指标，即光通量维持寿命。由于 LED 是高可靠性器件，寿命一般都会超过几千小时甚至是一万多小时，直接测量等待光衰到指定值的做法在工业上的应用十分困难。固态照明系统的可靠性是一个非常重要的参数，一个完备的固态照明系统应该具备高质量、高可靠性、低失效率、高寿命等特征。
二、LED 驱动电源失效
相对于 LED 光源来说， LED 驱动电源的结构更复杂，需要权衡的地方会更多，使得 LED 驱动电源往往比 LED 光源先失效。据统计，整灯失效中超过80％的原因是电源出现了故障。导致 LED 驱动电源失效的原因很多，可归纳为以下5大类。
1.LED电源散热不良
驱动电路由电子元件组成，少数元件对温度非常敏感。如电解电容，通行的电解电容寿命估算公式为"温度每降低10度，寿命增加一倍"，散热不良很可能导致其寿大大缩短，提前失效，致使 LED 电压出现故障，灯具失效。尤其是对于内置式电源（放在整灯内的电源），发热量大的电源会增加整灯的导热、散热压力， LED 的温度将升高，其光效和寿命将大大降低。所以在设计 LED 电源时，就应该重视其自身的散热问题。因此在开始设计灯具初期进行评估，电源的设计同步进行，就能解决以上问题。在设计中要综合考虑 LED 的散热和电源的散热，整体控制灯具的温升，这样才能设计出较好的灯具。
(1）功率设计。虽然 LED 光效高，但是还有80%~85％的热能损耗，致使灯具内部有20~30K的温升，如果室温在25℃，灯具内部则有45~55℃，电源长时间在高温环境下工作，要保证寿命就必须加大功率裕量，一般留存1.5~2倍的裕量。
(2）元件选型。灯具内部温度在45~55℃时，电源内部温升还有20℃左右，则元件附近的温度要达到65~75℃。有些元件在高温时参数会飘移，甚至寿命会缩短，所以器件要选择能在较高温度下长时间使用的，还要特别注意电解电容和导线。
(3）电性能设计。开关电源针对 LED 的参数设计，主要是恒流参数，电流的大小决定 LED 的亮度，如果批量电流误差较大，则整批灯的亮度不均匀。而且温度的变化也能致使电源输出电流偏移。一般批量误差控制在士5％以内，才能保证灯的亮度一致， LED 的正向压降有偏差，电源设计的恒流电压范围要包含 LED 的电压范围。多个 LED 串联使用时，最小压降乘以串联数量为下限电压，最大压降乘以串联数量为上限电压，电源的恒流电压范围要比这个范围稍宽些，一般上下限各留1~2V裕量。
(4) PCB 布板设计。 LED 灯具留给电源的尺寸较小（除非电源是外置的），所以在 PCB 设计上要求较高，要考虑的因素也较多。安全距离要留够，要求输入和输出隔离的电源，一次侧电路和二次侧电路要求耐压1500~2000VAC，在 PCB 上至少要留够3mm的距离。如果是金属外壳的灯具，则整个电源的布板还要考虑高压部分和外壳的安全距离。如果没有空间保证安全距离就要利用其他措施保证绝缘，比如在 PCB 上打孔、加绝缘纸、灌封绝缘胶等。另外布板还要考虑热量
均衡，发热元件要均匀分布，不能集中放置，避免局部温度升高。电解电容远离热源，减缓老化，延长使用寿命。
3．雷击损坏
雷击是一种常见的自然现象，特别是在雨季尤为常见。其所带来的危害和损失全球每年以千亿美元来计。雷击分为直接雷击和间接雷击，间接雷主要包括传导雷和感应雷。由于直接雷所带来的能量冲击非常大，破坏力极强，一般电源是无法承受的，故这里主要讨论的是间接雷型。
雷击所形成的浪涌冲击是一种瞬态波，属于瞬变干扰，可以是浪涌电压，也可以是浪涌电流。沿着电源线或其他路径（传导雷）或通过电磁场（感应雷）而传送至电源线路。其波形特征是先快速上升然后慢慢下降。这种现象会对电源产生致命的影响，其产生的瞬间的浪涌冲击远远超出一般电子器件的电性应力，导致的直接结果是电子元件损坏。
4．电网电压超出电源负荷
当同一个变压器电网支路配线太长，支路中有大型动力设备时，在大型设备启停时，电网电压会剧烈波动，甚至导致电网不稳。当电网瞬时电压超过310VAC时有可能损坏驱动器（即使有防雷装置也无效，因为防雷装置是应对几十微秒级别的脉冲尖峰，而电网波动可能达到几十毫秒，甚至几百毫秒）。因此，路灯照明支路电网上有大型电力机械时要特别注意，最好监测下电网波动幅度，或者由单独电网变压器供电。
5．焊点失效
电源封装主要涉及 PCB 板与元器件之间的连接工序，其中焊点扮演着重要的角色。焊点的主要作用是实现电子元器件与基板（ LED 电源中针对的是 PCB 板）的机械连接和电气连接，焊点质量严重影响着器件的可靠性。焊点失效一方面来自于生产装配中的焊接故障，如焊料桥连、虚焊、空洞、曼哈顿现象。另一方面是在服役过程中，当环境温度变化时，由于元器件与 PCB 板存在热膨胀系数差，在焊点内产生热应力，应力的周期性变化会造成焊点的疲劳损伤，最终导致疲劳失效。
所以 LED 驱动电源在设计和组装时应充分考虑以上五个失效原因，只有这样才能设计出高质量、高可靠性的驱动电源。
此外，整灯最重要的应力影响因素包括湿度、温度、电流、电压、机械力、化学和光辐射。这些应力相互作用，施加在 LED 产品上，形成各种失效模式，最后影响产品寿命。首先要注意的就是 led 的光衰特性，传统灯具一般点燃100h之后就进行测量，对 LED 灯具来说，这个时间太短。其次是 LED 的热特性， LED 的发光、颜色等都与其热特性相关。除了 LEd 本身的热特性， LED 灯具的散热设计也会影响 LED 的光效、寿命。
目前许多灯具的散热设计参差不齐，造成有些 LED 灯光效低、寿命短，这实际上并不是 LED 灯本身的问题，而是灯具设计不良。 LED 寿命很长，但真正拿到室外环境中应用就很容易出现各种问题：在-10℃的哈尔滨， LED 无法启动；在赤道地区，气候炎热使 LED 的散热问题严重。环境因素使 LED 寿命不能得到保证，这是最大的问题。 LED 在室内可以达到两万小时，可是在某些环境要求既散热又防水，但这两者在一定程度上是矛盾的，这些都对 LED 的寿命提出了挑战。