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LED灯丝灯漏气的在线检测技术
时间:2016-08-04 来源: 点击数:1885
秦晓霞 郭志军 庞标 凌君
杭州远方光电信息股份有限公司
摘要
近年来LED灯丝灯的增长非常迅速,据有关媒体报道,国内目前生产LED灯丝灯的相关企业已近800家,虽然进入门槛不高,但要做出高品质却是不容易的,其中LED灯丝灯的漏气问题是困扰广大生产制造企业的一大难题。本文从LED灯丝灯的特性出发,深入分析了LED灯丝和灯泡的光色输出对温度的依赖性,研究了能够快速甄别灯泡是否漏气的关键指标,并提出使用加速老化和在线光色电测量一体化的检测系统对LED灯丝灯漏气现象进行在线检测的技术方案,该技术能够发现LED灯丝灯的漏气问题,剔除不合格产品,从而大幅度提高产品的良品率,保证产品质量。此外,通过对国际标准的跟踪研究发现,近年来IEC标准在逐步强调对LED产品的在线光色测量要求,当LED产品与同批次产品出现比较大的偏差时,就应当即时及时剔除,不仅仅因为其光色性能不合格,还可能存在安全隐患,本文也将给予介绍。
关键词:灯丝灯漏气;热光性能;光衰;漏气检测;产线检测
1. 概述
随着各国“禁白”方案的推进与实施,钨丝白炽灯逐渐退出照明行业的舞台,而LED灯丝灯成为取代钨丝白炽灯的理想照明产品。与传统LED灯与白炽灯不同的是,LED灯丝灯是通过LED灯丝进行发光的,不仅可以取得与白炽灯相同的全角度发光特性,而且拥有更高的发光效率【1】,加之与传统白炽灯类似的球泡外形,LED灯丝灯在市场上深受人们喜爱,并在美术灯具、水晶灯具、古典灯具中得到广泛的应用【1】【6】
近两年来,随着市场的持续升温,不断有传统光源制造企业和LED制造商投产LED灯丝灯,据有关媒体报道,国内目前生产LED灯丝灯的相关企业已近800家,虽然进入门槛不高,但要做出高品质却是不容易的。影响LED灯丝灯品质的因素【2】【3】比较多,其中一个比较难以解决的就是灯泡漏气问题。LED灯丝灯散热的重要途径便是在球泡充入惰性气体,如果灯泡漏气,则将严重影响灯丝的散热,进而影响其光色性能和使用寿命。然而,在LED灯丝灯大批量生产中,漏气问题是非常难控制的,而且一旦漏气,LED灯丝灯照样能够点亮,很难在产线上甚至是质检实验室中识别出来。本文通过对LED灯丝灯热性能的研究,找出灯泡漏气的敏感因素,并通过测量有效量化剔除。
2. LED灯丝及其光学性能
作为LED灯丝灯核心技术之一的LED灯丝,一般采用COB封装技术,将LED芯片直接粘贴在散热基板上,并通过引线键合将各个LED芯片串联连接,基板两端的LED芯片也通过引线键合与电极引出线连接,再进行点胶、烘烤【4】。众所周知,LED作为一种半导体器件,其光学性能与热环境有着密切的联系,而这种COB封装的方式,将多个小LED芯片直接封装在基板上,增大了芯片的散热面积,增强芯片散热能力。
为深入了解和把握LED灯丝的热光性能,本文中选用了两种不同封装结构的LED灯丝进行试验,其中,A灯丝采用金属基板,双面贴装LED芯片;B灯丝采用玻璃基板,单面贴装LED芯片。实验中首先采用远方TRA-300热阻结构分析系统对A、B灯丝进行热阻测试,图1和图2分别是两个灯丝从芯片到空气的热阻微分结构图。A灯丝的总热阻为77.38℃/W,芯片结温为57.26℃;而B灯丝的总热阻为101.00℃/W,芯片结温为102.06℃。

 
图1 A灯丝热阻微分结构分析(金属基板)

 
图2 B灯丝热阻微分结构分析(玻璃基板)
对图1和图2进行深入分析,可以得到以下结论:
1)金属基板的散热能力优于玻璃基板。首先,金属基板的LED灯丝热阻以及结温要小的多;其次结合图形分析,微分结构曲线中的峰一般对应于热阻低热容高的位置,即散热能力比较好的器件,在图1中20℃/W附近有一个明显的峰,代表了金属基板,而图2中的曲线整体比较平缓,意味着玻璃基板的散热能力与空气差不多。
2)由于基板到空气的散热能力差,导致LED灯丝整体的热阻比较大。以A灯丝为例,LED芯片到金属基板的热阻在20℃/W左右,而基板到空气的热阻为57℃/W,后者明显偏大。
从上述实验可以看出,LED灯丝的总热阻相对比较大,直接暴露在空气中工作时,结温会很快上升。于是,我们进一步研究了结温上升对LED灯丝的光输出的影响。本文中根据IES LM-85标准,测量B灯丝样品在不同结温下的光输出。实验选用远方ATA-500自动温控光电分析测量系统,将LED灯丝贴装在测试系统的温控装置平台上,在达到热平衡后快速点亮灯丝并测量其光通量,从而得到结温与光输出的变化关系。测试结果见表1和图3。
表1 0-90℃结温(T)变化范围内光通量(Φ变化

T(℃)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Φ(lm)
105.0
103.6
101.9
100.2
99.96
98.91
97.34
95.89
94.3
92.67

 
图3 LED灯丝的光输出随温度变化曲线
随着结温的升高,灯丝的光输出有明显的降低趋势,但是下降的幅度其实并不大,结温从20℃上升到90℃,光通量仅下降9%左右。虽然实际工作中LED灯丝的结温可能会远高于90℃,但在产线上靠人眼是很难立即分辨。
3. LED灯丝灯的光学性能
LED灯丝灯,通常就是将已经制备完成的灯丝封装于玻璃球泡内,并在球泡内充满惰性气体。由于灯丝灯的光色特性与温度有密切关系,因此在灯丝灯的设计中从选材、设计、封装各方面都有考虑到灯丝灯的散热。例如,为了保证良好的散热,LED灯丝灯可选用导热能力好的蓝宝石基板来封装LED芯片,此外,在球泡内填充惰性气体也是灯丝灯常用的散热手段。
为了准确把握LED灯丝灯的热光特性,本文选取了某采用金属基板的LED灯丝灯样品,测量其在不同环境温度下的相对光输出;测试完毕后进而将灯丝灯玻壳打破,使惰性气体漏出后再测量灯丝灯的相对光输出,两者的测量结果如图4所示。从测量结果中可以看出:随着温度的上升,无论密封性完好的灯丝灯,还是漏气的灯丝灯,其相对光输出均随着温度的升高而下降,并且下降趋势基本一致,即当环境温度上升至40℃后,两者的光通量均下降至20℃时的93%左右。然而,在试验中,当将环境温度升高至45℃左右时,灯丝灯出现了明显的闪烁现象,因此测量没有继续。由此也可发现,如果灯丝灯的工作温度过高,将直接影响实际的照明效果,进而影响灯丝灯的使用寿命。
 
(a)
 
(b)
图4灯丝灯的相对光输出随温度变化曲线:(a)密封性完好;(b)漏气
为了进一步研究灯丝灯漏气对整灯散热能力的影响,本文中选用基于B灯丝的灯泡,对密封完好的LED灯丝灯、以及漏气的LED灯丝灯的热阻进行了测试,测试结果见图5,6。试验发现,对于密封完好、且内部填充惰性气体的LED灯丝灯的热阻为27.12℃/W,LED芯片的结温为88.91℃;而漏气的LED灯丝灯热阻高为40.28℃/W,芯片结温为103.14℃,与上文中灯丝B在空气中直接点亮的结温相一致。不难看出,漏气将直接导致LED灯丝灯的热阻增大,结温升高,造成灯丝灯的散热困难。
 
图5密封性完好的LED灯丝灯热阻测试
 
图6漏气灯丝灯热阻测试结果
4. 灯丝灯漏气的快速甄别方法
从上述试验可知,灯丝灯漏气将导致LED灯丝灯的热阻增大,因此可以通过热阻的变化来判别灯丝灯的漏气问题。然而,通常对于LED灯热阻的测量需要非常专业的热阻测量设备,对于产量庞大的产线而言,效率低,成本大。
为了研究灯丝灯漏气的快速甄别方法,本文中对漏气与灯丝灯光学性能之间的关系作了进一步分析和试验。由理论可知,LED灯丝灯球泡内填充惰性气体主要是为了加强散热,如果出现漏气的现象,将会导致灯丝灯的散热能力下降,进而温度升高,进一步导致光输出的下降。
根据上述理论分析,本文中选取了一些灯丝灯样品,并在一段时间内测量其光输出变化,试验结果见图7。
 
图7 灯丝灯漏气与光衰
由图7可以看出,相对于其他的灯丝灯产品,编号为F和13的灯泡在使用过程中出现了严重的光衰现象,在LED灯丝灯点亮初期,漏气的和不漏气的灯泡光通量差别并不明显,但随着点亮时间的加长,漏气灯泡的光衰明显严重,最终编号F、13号灯泡的光通量与其余灯泡的光通量相差约40%。
漏气的LED灯丝灯,随着球泡内惰性气体逐渐减少,LED灯丝散热能力下降,温度进一步升高,进而产生严重光衰,甚至是失效。
通过这一实验发现,在实际的检测中,灯丝灯的漏气可以通过光衰测量来进行有效的甄别。
5. LED灯丝灯的在线检测技术
灯丝灯的漏气可能发生在灯丝灯制作以及使用中的各个阶段,既可能在发生在产线中,也可能发生在后期的使用过程中。相应的,导致LED灯丝灯发生漏气现象的原因是多种多样的,从前期的选材、工艺制作水平,甚至是后期使用过程中的热环境变化、高低压变化以及电磁环境等均有可能导致LED灯丝灯的漏气。因此,LED灯丝灯漏气检测的关键在于模拟各种可能的环境对灯具实现高效老化,使其漏气及其表现出来的光衰暴露出来。
本文在大量的理论研究和试验基础上,结合产业需求,提出一种针对于LED灯丝灯的高效老化与在线高精度快速全检相结合的解决方案,其主要特点在于:
1)高效老化技术   
由于漏气的阶段以及原因具有不可预测性,本方案提出了相应的高效老化方案,即同时具备常规老化项目(高温老化、高低压老化、开关老化以及漫游老化)功能外,还增加了电压(电流)冲击和跌落冲击试验,对LED灯具在实际使用过程中可能导致漏气的各种环境进行模拟,进而实现漏气的高效检测。实践证明,高效老化技术不仅可以及时有效的发现产品的漏气以及早期失效问题,而且不损害合格产品,同时还可以起到节约老化时间、节约场地以及降低成本的目的【7】【8】。系统采用分段式应力测试技术,在生产线上分段式布置导电导轨以施加不同的应力,实现生产线上各种老化和测试功能的分段实现,并具有结构紧凑、老化测试一步完成的特点。
(2)100%高精度在线检测
产品老化结束后被测灯直接进入测试环节,并利用先进的光、色、电快速分析手段,准确测量分析产品性能参数,实现LED灯丝灯100%高精度在线检测,并可通过光衰的现象准确判断LED灯丝灯的漏气问题。该技术方案节约了上下灯以及预热的时间,大大提高了效率,并且100%光色电参数检测避免了抽检的风险,对老化过程中出现的光衰及颜色漂移情况也可有效识别。
 
图8 在线检测设备(远方LAT-3000)
 
图9 产线检测流程
(3)后端控制对前期成本控制的保护
通常,为了保证产品的品质,厂家会从前端的选材、工艺以及封装技术等各方面严格要求和控制以获得优越的初始性能,然而,LED灯丝灯产品由于其自身的固有特性,在后期使用过程中,光通量、光效等参数会因为各种不确定因素(如温度、压力、电磁干扰等)而发生降低,颜色也可能发生漂移,即其质量变化具有不可控性,因此,成本投入与质量产出往往不成正比。
与前端高度严格控制不同,本文中从产品后端控制入手,通过对产品实现100%高精度在线测试,不仅可以保证在前期成本控制下所得合格产品的质量,而且可以使得各档次的产品物尽其用,并且每个产品流通到市场后都可以获得追溯和管理,全面提升产品的竞争力。
6. 国际标准对生产线测量的关注
随着LED产业成本的大幅降低,LED的应用越来越广泛,然而LED产品的质量问题却是一个迟迟没有解决的难题。从近两年来质监局对LED产品的检查结果可以看出,目前市场上LED产品的质量并不理想,部分产品的不合格率甚至高达70%。而产线检测作为质量控制的一个重要手段正在逐渐引起业内关注。通过对标准的追踪研究也不难发现,国际标准化组织IEC近年来也逐渐加大了对产线测试的重视,并在相关LED产品的安全标准以及性能标准中频频提到产线测试的新概念。
例如,在IEC 62031普通照明用灯具中LED模组的安全要求的修订版本中,对产线测试作出了要求,提出在产线的一致性测试中需要对100%的产品进行测试,并且不允许任何的LED模块的光通量严重低于其他产品的光通量,因为光通量严重偏低的现象意味着产品内部出现缺陷,并存在相关的安全隐患。
而其它一些新制定的标准草案中,也提及到了产线测量,例如IEC 34A/1908/DC标准的SCOPE(范围)中提出,对于双端直管荧光灯的测试,必须保证95%的产品都要满足相应性能指标要求,也说明对产品进行产线检测也在考虑中;IEC 34A/1890/NP关于半集成LED灯的性能标准也在其SCOPE(范围)中提出对于所有LED灯进行产线批量测试的建议正在考虑中。这在以往的IEC标准中是不多见的,这也充分说明了产线测试检测方案正在引起国际标准化组织的关注,而产线测试势必将成为产品质量控制的有效手段。
7. 小结
LED灯丝灯近两年来发展迅速,并获得国内外市场的广泛认可。在LED灯丝灯飞速发展的同时,漏气问题成为了灯丝灯产品面临的一个显著问题。由于灯丝灯漏气将导致灯具散热能力下降,进而影响灯丝灯的光输出以及使用寿命,因此,实现对灯丝灯漏气的快速甄别和检测十分重要。本文中通过对灯丝以及灯丝灯的光热特性进行大量研究和试验,得到了灯丝灯漏气与光衰之间的敏感关系,并提出在实际的测试中可通过光衰来检测灯丝灯的漏气。为了确保所有产品的质量以及光色一致性,本文中还提出了综合高效老化与100%在线检测的设备和方案,通过对所有产品的光色参数进行快速检测,可以有效的识别漏气的产品并予以剔除。与此同时,本文最后也结合IEC国际标准化的发展状况,介绍了产线检测正在引起国外及业内的广泛关注,而产线检测作为实现LED产品质量控制的有效方案,也必将成为一个发展趋势。
致谢
真诚感谢佛山照明、恒星照明以及广明源照明电器给予本研究的大力支持和帮助!
参考文献
1. 颜重光.《LED灯丝灯技术的创新发展》,中国照明电器,2016年第1期。
2. 杨磊,钱幸璐,曲士魏. 《倒装LED灯丝在不同电流驱动下的光学性能分析》,中国照明电器,2015年第12期。
3. 邹军,朱伟,陈浩.《倒装发光二极管灯丝散热性能的研究》,上海应用技术学院学报(自然科学版),2016年第16卷第1期。
4. 龚三三,秦会斌,刘丹.《高光效LED灯丝球泡灯的光学性能研究》,半导体器件,2015年2月。
5. 龚三三,秦会斌.《基于ANSYS的LED灯丝热仿真分析》,中国照明电器,2015年第1期。
6. 颜重光.《室内LED照明创新设计技术发展趋势》,INSIGHT,2014年第6期。
7. 刘腾海,张斯员,袁金玉.《LED照明产品的光色一致性控制技术探讨》,照明,2015年第9期。
8. 刘腾海,秦晓霞,郭志军.《用智能在线检测技术全面提高产品竞争力》,海峡两岸第22届照明科技与营销研讨会。
 

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