迄今為止，談到LED產品的參數失效，大部分關注的是光通維持率，而色漂(color shift)也是一些產品早期失效的原因，尤其是在對視覺外觀有嚴格要求的特定的應用中。2013年9月，美國能源部發布了一份包括實際應用及實驗室監測到的DOE多個項目中LED色漂的研究報告，對了解色漂及其產生機理具有非常大的指導意義。本文將詳細介紹該報告的內容，包括DOE對LED燈的色漂數據的分析、色漂指標、產生機理、監控及產品保修等問題。

一、顏色穩定性與色彩一致性定義

       “顏色穩定性(color stability)”定義為一盞燈隨時間推移保持一定光譜功率分布的能力。與顏色穩定性不同，色彩一致性(Color Consistency)指的是不同燈之間的光譜功率分布。使用色坐標來描述光源的顏色是CIE色度系統(CIE 2004)的一項基本原則。最常用的三個色度圖為CIE1931(x，y)，CIE1960 (u，v)和CIE1976(u′，v′)，如圖1所示。(u′，v′)色度圖在視覺上最均勻而最適合評價色度的差異和變化，其色漂用Δu′v′表示。

       北美照明工程協會(IESNA)標準LM-80-08 LED光源光通維持率的測量[IES2008]，規定了LED封裝器件光通維持率測量的方法，同時也提出需要測量LED封裝器件的色度變化并在報告中體現。但LM-80-08標準測量的對象并不是LED燈或燈具，且也未規定色度變化的限值。

       ENERGY STAR要求Δu′v′在燃點6000小時不超過0.007[EPA2012，2013]，但因LED產品的壽命通常遠超過6000小時，這一要求對于確保高品質的照明來說可能還不夠嚴格。

二、色漂數據

       本文中的數據來自于美國能源部項目，包括GATEWAY項目、CALiPER項目及LPrize項目。這些數據可以展現當前市場的狀態，對如何改善產品顏色穩定性也有所啟發，數據在很大程度上是事后分析，且大部分工作沒有對色漂進行嚴謹的科學調查。但是，DOE報告中也展現了LED照明的巨大潛力。

       1.GATEWAY項目數據

       GATEWAY項目有三個特色的博物館項目，包括與史密森美國藝術博物館(Smithsonian American Art Museum)的合作。博物館照明對光的呈色性和顏色維持要求特別苛刻。史密森博物館安裝了許多不同的LED燈，一部分在使用幾千小時后出現了明顯的色漂，甚至某些燈還遠未到額定壽命就已失效。

       該項目沒有對燈的性能進行跟蹤(即記錄縱向數據)，但對出現明顯色漂的燈進行了事后分析。該部分的Δu′v′值是舊燈和同類型的新燈之間色度的差異，而非同一盞燈本身使用前后的色度差異。

       表1是該項目按IES LM-79-08對部分燈測試的數據。相對于基準樣品，在6600小時甚至更早，許多樣品燈的Δu′v′值超過了0.007。雖然每組數據不是同一盞燈隨燃點時間的變化，但也可看出色漂非常嚴重。如果這些數據被視為近似縱向數據，樣品燈的色度主要朝著黃光方向移動。

       這些燈帶有二次光學系統(如塑料透鏡元件)，部分產品隨時間增加物理材料出現明顯的顏色變化。拆除上述光學系統使色度變化最小。無論新燈還是舊燈取下透鏡時，色漂相差不大。因此，色漂是由LED器件產生的。

       圖2是B1、B2燈的光譜功率分布(SPD)變化。相比于基準樣品，燃點4000小時后的B1燈藍光發射峰增強，黃光發射峰減弱且向短波方向移動，流明輸出多了3%。B2燈藍光發射峰的減弱多于黃光發射峰峰值的減弱，使色度向長波方向移動，流明輸出少了9%。

       2.CALiPER項目數據

       2008-2010年，CALiPER項目在一個獨立的光度測量實驗室對約50個完整的LED燈和燈具進行了長期的測試，這對了解色漂的一些機理仍然有價值。

       LED燈首先按LM-79-08在積分球中進行測試，之后被安裝在環境溫度25℃(±5℃)，具有恒定的輸入電壓的裝置中連續燃點。每500小時使用手持儀表測量某一點的照度和色度。6000小時后，產品在同一積分球中再次測量，部分產品在6000小時前失效。

       圖3中顯示了產品根據LM-79-08在積分球中測得的最初和最終的色坐標，紅點代表的產品通過了6000小時測試，在此期間，色漂通常朝著同一方向。

       如圖3所示，許多產品沿著藍—黃軸(blue-yellow axis)方向移動，高色溫產品的色漂現象更明顯。在第一個6000小時測試中，45個產品中有15個產品的Δu′v′值超過了0.007，其中有8個產品的色溫(CCT)高于4500K;色溫高于4500K的產品只有20%在6000小時測試后Δu′v′值不大于0.007;7個使用RGB或混合工藝制作的白光LED產品中，有2個的Δu′v′值超過了0.007。在進行12000小時測試的7個產品中，有6個產品12000小時的Δu′v′超過了0.007，有2個產品6000小時時超過了這一閾值。

       色漂最嚴重的是一個櫥柜燈，7500小時后的Δu′v′值為0.045。還有幾個產品的Δu′v′值超過了0.020，近3倍能源之星規定的限值，這些燈的色漂可能任何照明應用都不能接受。

       圖4是圖3中每隔500小時使用手持儀器測得的部分數據。產品從最初測量到6000小時測量到的色度變化不是連續的直線軌跡。

       產品的色度變化不穩定，有時會在中間測試階段反向變化。這一現象表明，引起色漂的機制不止一種。但這些數據的測試儀器不太精密，且測試環境沒有進行嚴格控制。測試環境可能更接近典型的工作環境，很難判斷是由溫度變化還是物理變化引起的色漂。

3.L Prize 項目數據

       L Prize燈采用遠程熒光粉技術，熒光粉并不直接摻入到LED封裝器件中。只有少數LED產品使用這種方法。L Prize燈在壽命范圍內的色漂更小。DOE報告中L Prize燈平均Δu′v′值都不超過0.001，顯示了LED技術巨大的潛力，但報告中討論的大部分引起色漂的機理并未采用遠程熒光粉的技術形式。

三、討論

       LED的產品特性，包括光通量、色度等，與工作條件密切相關。制造商通常在特定的溫度(如25℃或85℃)和特定的驅動電流(如350mA)下對LED進行測試和封裝。LEDs測試的溫度或驅動電流不同，色度也會不同。因制造LEDs的技術各不相同，色度隨溫度及電流的變化幅度會因制造商不同而有所差異。高溫通常會加劇材料的退化，故在高溫下工作會嚴重影響LEDs的性能。同樣，開關循環和相關的熱變化也可能對LED器件的材料產生一些不可恢復的影響。

       LED封裝最常采用藍光LED和黃色熒光粉的組合(PC LED)。PC LED封裝形式不同，色漂機理也不盡相同。

       早期LED封裝將熒光粉和硅氧樹脂混合，制作成反射腔(a reflector cavity)。隨時間的推移，熒光粉顆粒先一步失效(如圖5)，藍光輸出增多，光譜藍移非常嚴重。

       大部分中小功率的LED使用上述封裝方式，樹脂變色同樣會產生色漂(如圖6)。聚鄰苯二甲酰胺(PPA)是LED封裝中一種常用樹脂，在高溫或短波長輻射的環境中會變色。

       另一種封裝方式將熒光粉涂覆在芯片頂部的薄層上，其上再增加硅膠層(如圖7)。使用熒光粉涂層技術時，有兩種情況可導致色漂，一種是熒光粉涂層在芯片邊緣卷起，使藍光光子從大角度方向溢出(如圖7a)，產生光譜藍移現象。另一種是高溫下熒光粉涂層與芯片表面產生分層(如圖7b)。芯片與熒光粉之間的空氣間隙增大了藍光光子通過熒光粉涂層的角度，使其穿過熒光粉涂層的平均自由程增加，光譜黃移。

       一些最新LED封裝技術中，熒光粉施加到整個封裝表面，包括芯片和基板(如圖8)，以緩解卷曲和分層問題，大大提高了顏色穩定性。

       LED封裝技術在不斷變化和提高。然而，最新的LED技術并沒有廣泛應用到最終產品中，作為最終產品的燈和燈具很大程度上滯后于芯片的開發。

       其次，用于初級或次級光學器件的材料也會隨使用時間而改變。比如，用作密封劑的環氧樹脂長時間使用后會出現變色現象。另外，許多化學材料，尤其是用于制造燈和燈具的粘合劑也非常不穩定。通常情況下，燈/燈具與LED器件的制造商不同，這就使發現色漂更加困難也使質保索賠更加復雜。

       驅動設備也會發生物理變化，可能產生不同的驅動電流，而導致色漂的產生。這一問題還沒有深入研究，但它可能是LM-80-08測試的芯片色漂數據和DOE報告中完整產品色漂數據之間出現差異的一個原因。

四、結論

       針對色漂問題，建議今后開展以下工作：

       1.通過LED封裝技術的不斷改進，提高顏色穩定性。

       2.制定從有限的測試數據中預測長期色漂性能的標準。

       3.研究影響整體LED燈/燈具顏色穩定性的多種因素之間的相互作用。

       4.照明行業上下游各部分應對色漂及其表述進行更多交流。

       5.對色漂的保修應廣泛普及，根據商定的方法記錄超出既定閾值的色漂。

       安裝數量的增多和使用時間的增長使LED產品的長期性能問題，如色漂問題將更加突出。LED技術在不斷發展，產品性能也逐步提升，很大程度上提高LED產品的使用率。目前，LED產品已展示出卓越的顏色穩定性，隨著LED技術的不斷發展，色漂沒有必要向其他性能妥協。————本文節選自第6期《半導體照明》雜志。