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摘要：  本文在調(diào)研LED 照明產(chǎn)品國際和國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)壽命評(píng)價(jià)考慮的基礎(chǔ)上，介紹了目前針對(duì)LED 壽命測試的相關(guān)研究工作，對(duì)LED 照明產(chǎn)品的壽命評(píng)估方法做了探索性研究。

關(guān)鍵字：  LED，  芯片，  電子器件

本文在調(diào)研LED 照明產(chǎn)品國際和國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)壽命評(píng)價(jià)考慮的基礎(chǔ)上，介紹了目前針對(duì)LED 壽命測試的相關(guān)研究工作，對(duì)LED 照明產(chǎn)品的壽命評(píng)估方法做了探索性研究。經(jīng)分析可知，采用壽命測試推算方法，IESTM21 和邊界函數(shù)法均存在一定的問題。研究表明，采用試驗(yàn)條件加速的方法來測試推算LED 照明產(chǎn)品的壽命存在較高的可行性，且此評(píng)價(jià)方法可顯著縮短產(chǎn)品的壽命評(píng)價(jià)周期。

1 引言

發(fā)光二極管( Light Emitting Diode，LED) 作為一種光電子器件，本身具有長壽命的優(yōu)勢(shì)。隨著藍(lán)光LED 芯片的發(fā)明和LED 照明技術(shù)的提高，LED 逐步進(jìn)入普通照明領(lǐng)域，其技術(shù)水平也在近年呈現(xiàn)出快速的發(fā)展趨勢(shì)。LED 照明產(chǎn)品包括LED 光源和LED 燈具。針對(duì)普通照明領(lǐng)域，受LED 照明產(chǎn)品價(jià)格因素的影響，綜合考慮市場應(yīng)用的性價(jià)比和成本收回效果，LED 照明產(chǎn)品的壽命及其評(píng)估方法在全行業(yè)內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注，也成為近來討論和研究的熱點(diǎn)。

LED 照明產(chǎn)品的壽命及其評(píng)估方法研究主要基于三個(gè)方面的考慮： ( 1) 產(chǎn)品的壽命評(píng)估方法研究及實(shí)施，將完善LED 照明產(chǎn)品的性能評(píng)價(jià)體系，縮短產(chǎn)品全面性能評(píng)價(jià)的測試周期，促進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)水平的提升; ( 2) LED 照明產(chǎn)品全面性能評(píng)價(jià)的實(shí)施，將對(duì)政府的相關(guān)決策和引導(dǎo)提供強(qiáng)有力的保障，從政府引導(dǎo)的角度，推動(dòng)LED 照明行業(yè)的發(fā)展; ( 3) 這項(xiàng)工作將進(jìn)一步增強(qiáng)市場的規(guī)范發(fā)展，從消費(fèi)者認(rèn)知和應(yīng)用選擇的角度，對(duì)LED 照明行業(yè)的健康發(fā)展提供保障。

目前國際領(lǐng)域內(nèi)對(duì)LED 的壽命評(píng)估也愈加關(guān)注，本文在分析國際領(lǐng)域內(nèi)LED 壽命評(píng)估方法的基礎(chǔ)上，對(duì)LED 照明產(chǎn)品壽命評(píng)價(jià)方法與實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件間的對(duì)應(yīng)關(guān)系做了初步研究。

2 LED 照明產(chǎn)品壽命及相關(guān)研究現(xiàn)狀

2. 1 LED 照明產(chǎn)品的壽命

根據(jù)照明術(shù)語國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，燈的壽命是指燈工作到失效時(shí)，或根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定認(rèn)為其已失效時(shí)的總時(shí)間。根據(jù)這一術(shù)語規(guī)定，照明產(chǎn)品的壽命取決于產(chǎn)品的失效方式的相關(guān)規(guī)定和判斷?；诖?，包括國際照明標(biāo)準(zhǔn)、美國照明技術(shù)規(guī)范、中國相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范等均對(duì)LED 照明產(chǎn)品的壽命及相對(duì)應(yīng)的失效判定做了相關(guān)的考慮和說明。

國際電工委員會(huì)( International ElectrotechnicalCommission，IEC) 正在展開針對(duì)原IEC /TS 62504LED Terms and Definitions 技術(shù)文件的修訂換版工作，修訂后標(biāo)準(zhǔn)將對(duì)LED 照明相關(guān)各項(xiàng)IEC 標(biāo)準(zhǔn)所涉及術(shù)語定義做協(xié)調(diào)統(tǒng)一，因此，改版后的IEC62504 標(biāo)準(zhǔn)將與原TS 版文件有較大不同。IEC62504 標(biāo)準(zhǔn)將從LED 照明產(chǎn)品光通維持率的角度給出產(chǎn)品的壽命定義。根據(jù)這一壽命定義，LED 照明產(chǎn)品的壽命由產(chǎn)品隨燃點(diǎn)時(shí)間的延長其光通維持率的變化所決定，產(chǎn)品的光通維持率衰減到指定值時(shí)( 根據(jù)應(yīng)用場所不同，通常設(shè)定為70%或50%) 的累積燃點(diǎn)時(shí)間即為產(chǎn)品的壽命。

產(chǎn)品的出光及光的維持性是LED 照明產(chǎn)品壽命指標(biāo)的重要關(guān)注因素。此外，從LED 照明產(chǎn)品特性和應(yīng)用場所的考慮出發(fā)，產(chǎn)品的壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)也存在一定差異，比如，除光通維持率之外，LED 照明產(chǎn)品的色品質(zhì)及其維持性等，本課題組也在開展此方面研究工作，以期對(duì)LED 照明產(chǎn)品性能和壽命做更合理評(píng)估。表1 也給出了相關(guān)國家或地區(qū)在LED 照明產(chǎn)品壽命相關(guān)指標(biāo)上的考慮。

針對(duì)LED 照明產(chǎn)品壽命相關(guān)指標(biāo)的考慮，表1中標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)文件分別從產(chǎn)品的光通維持率LM、顏色坐標(biāo)漂移、壽命時(shí)間規(guī)定和失效率等參數(shù)上做了考慮。以上各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)文件中關(guān)于LED 照明產(chǎn)品的光通維持率、顏色漂移等參數(shù)均以kh ( 千小時(shí)) 為單位進(jìn)行指標(biāo)規(guī)定，目前尚無經(jīng)驗(yàn)證的切實(shí)可操作的加速測試或評(píng)價(jià)方法。我國所啟動(dòng)LED 照明產(chǎn)品節(jié)能認(rèn)證，在產(chǎn)品光通維持率等測試項(xiàng)目上也存在類似問題。

2. 2 LED 壽命測試推算方法概要

2. 2. 1 美國IES TM21標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于LED 光通維持率的推算方法

美國于2011 年發(fā)布了IES TM21 《ProjectingLong Term Lumen Maintenance of LED Light Sources》

標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于LED 封裝、LED 陣列、外接驅(qū)動(dòng)控制的LED 模塊。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種利用IES LM80 測試數(shù)據(jù)，以指數(shù)衰減為光通量衰減模型推算LED 光源光通維持率的方法，如圖1 所示。

具體操作方式如下。

① 以不超過1000h 為時(shí)間間隔測試光通量，測試時(shí)間不低于6000h;

② 以0h 光通量為基準(zhǔn)，計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)的光通維持率;

③ 以指數(shù)衰減模型φ ( t) = β·exp ( – αt) 擬合光通維持率趨勢(shì)曲線，若測試總時(shí)間不超過10000h，取最后5000h 數(shù)據(jù)點(diǎn)為擬合曲線原始數(shù)據(jù);若測試總時(shí)間超過10000h，則取總測試時(shí)間的后50%測試點(diǎn)為擬合曲線原始數(shù)據(jù);

④ 根據(jù)曲線擬合結(jié)果計(jì)算α 和β 值，在此基礎(chǔ)上根據(jù)L70 = ln ( β /0. 7 ) /α 計(jì)算光源的L70壽命( 若推算所得壽命時(shí)間大于總測試時(shí)間的5. 5 倍( 或6 倍) ，則取總測試時(shí)間的5. 5 倍( 或6 倍) 為推算壽命時(shí)間)

2. 2. 2 基于邊界函數(shù)的LED 壽命推算方法

基于IES TM21 關(guān)于LED 壽命推算方法在IEC標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)討論會(huì)上的討論，有專家提出了TM21 在LED 普適性上的疑問，并提出了基于邊界函數(shù)的LED 壽命推算方法。該方法將LED 封裝的光通維持率測試曲線與指數(shù)衰減邊界函數(shù)對(duì)比，將適用的邊界函數(shù)所對(duì)應(yīng)的壽命時(shí)間定義為該LED 封裝的壽命，如圖2 所示。

具體操作方式如下。

① 以0h，500h，1000h，2000h，3000h，……為時(shí)間間隔測試LED 封裝的光通量，測試總時(shí)間應(yīng)不低于6000h;

② 以0h 光通量為基準(zhǔn)，計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)的光通維持率并繪制光通維持率曲線;

③ 在以上光通維持率曲線圖上，繪制B ( t) =e – αt 指數(shù)衰減邊界函數(shù)曲線，曲線中參數(shù)按照B ( L70) =0. 7 計(jì)算得出;

④ 若光通維持率曲線圖上最后2000h 光通維持率高于邊界函數(shù)曲線，則LED 封裝的壽命大于該邊界函數(shù)所對(duì)應(yīng)L70壽命值。

2. 2. 3 IEC 關(guān)于LED 壽命測試提案

IEC 國際標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)過程中，有成員曾在2010 年提出針對(duì)LED 器件的光通維持率測試和推測的提案，提出了基于溫度加速對(duì)比的LED 器件光通維持率的推算方法，計(jì)算理論如圖3 所示。

光通維持率的推算方法為：

① 在至少兩種殼溫下進(jìn)行樣品光通維持率燃點(diǎn)測試;

② 分別在0h，500h，1000h，2000h，3000h，……燃點(diǎn)時(shí)間下測試LED 器件的光通量，并計(jì)算各時(shí)刻點(diǎn)的光通維持率，測試時(shí)間不少于6000h;

③ 將每種溫度下的光通維持率測試點(diǎn)相連;

④ 將兩條不同溫度下光通維持率曲線上的相同光通維持率水平的點(diǎn)相連;

⑤ 以上述連接點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間計(jì)算加速因子;

⑥ 對(duì)至少5 個(gè)不同的光通維持率水平重復(fù)④⑤的操作，且各點(diǎn)間的時(shí)間間隔不應(yīng)低于500h;

⑦ 計(jì)算平均加速因子;

⑧ 使用平均加速因子根據(jù)高溫測試曲線推算低溫下的光通維持率隨燃點(diǎn)時(shí)間的變化。

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3 LED 壽命測試推算方法對(duì)比分析及研究

上述三種國際范圍內(nèi)的LED 壽命推算方法，相關(guān)重要因素如表2 所示。

3. 1 IES TM21 關(guān)于LED 壽命推算方法

IES TM21 的LED 壽命推算方法基于IES LM80關(guān)于LED 光通維持率的測試數(shù)據(jù)。圖4 給出了采用IES TM21 的壽命推算方法對(duì)某型號(hào)LED 器件LM80測試數(shù)據(jù)進(jìn)行光通維持率擬合的曲線圖。

根據(jù)曲線擬合結(jié)果，三種燃點(diǎn)環(huán)境溫度下LED壽命指標(biāo)排序?yàn)椋?5℃下LED 壽命> 105℃下LED壽命> 55℃ 下LED 壽命，這與實(shí)際情況并不相符合，因此，IES TM21 壽命推算方法在適用性需要做進(jìn)一步研究確認(rèn)。

3. 2 基于指數(shù)衰減邊界函數(shù)的LED 器件壽命推算方法

該方法以后2000h 光通維持率測試結(jié)果與邊界函數(shù)上對(duì)應(yīng)時(shí)刻點(diǎn)維持率數(shù)值高低來確認(rèn)LED 的最低壽命指標(biāo)。采集LED 產(chǎn)品進(jìn)行6000h 光通維持率測試，并根據(jù)指數(shù)衰減邊界函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 給出了100000h 和500000h 壽命的邊界函數(shù)曲線，對(duì)三種LED 產(chǎn)品的光通維持率測試曲線做對(duì)比可見，三種產(chǎn)品的壽命均高于100000h，其中，產(chǎn)品1 和3 的壽命更是超過500000h，與產(chǎn)品壽命存在較大的不符合性。因此，邊界函數(shù)對(duì)比法在LED 照明產(chǎn)品壽命推算上也并不適合。

3. 3 基于溫度加速比對(duì)的LED 壽命推算方法及研究

該方法以溫度為壽命加速應(yīng)力，同時(shí)，低溫下的測試時(shí)間不應(yīng)低于6000h.基于該壽命推算方法，開展試驗(yàn)條件與LED 照明產(chǎn)品壽命參數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)研究。

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3. 3. 1 試驗(yàn)方案

壽命燃點(diǎn)過程中，受LED 器件、透鏡、驅(qū)動(dòng)等部件性能變化或產(chǎn)品散熱效果的影響，LED 照明產(chǎn)品壽命參數(shù)指標(biāo)的衰減主要表現(xiàn)在光通量衰減和顏色漂移兩個(gè)方面?？紤]到產(chǎn)品零部件間的交互影響，LED 照明產(chǎn)品的壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法以整體LED 照明產(chǎn)品為研究對(duì)象，因此試驗(yàn)條件的設(shè)定考慮針對(duì)整體產(chǎn)品的實(shí)際測試操作可行性。

本階段以燃點(diǎn)環(huán)境溫度為試驗(yàn)應(yīng)力，設(shè)定不同溫度水平，在控溫環(huán)境溫度( ± 2℃) 下對(duì)燈進(jìn)行燃點(diǎn)試驗(yàn)，采用積分球- 光譜輻射度計(jì)測量系統(tǒng)監(jiān)測燈在長期燃點(diǎn)過程中各溫度水平下LED 照明產(chǎn)品壽命參數(shù)指標(biāo)的變化情況。溫度水平的設(shè)定和試驗(yàn)過程中樣品狀態(tài)的分析確認(rèn)是試驗(yàn)的重要考慮因素。

首先采集試驗(yàn)樣品，監(jiān)測不同燃點(diǎn)環(huán)境溫度下燈零部件的溫度，以確定溫度應(yīng)力試驗(yàn)的極限水平，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

結(jié)合LED 照明產(chǎn)品各零部件的性能，對(duì)圖7 所示溫度監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，確定溫度應(yīng)力試驗(yàn)的水平上限，進(jìn)而設(shè)定各燃點(diǎn)環(huán)境溫度水平。

3. 3. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采集代表性LED 照明產(chǎn)品，在不同環(huán)境溫度水平下進(jìn)行燃點(diǎn)和光色參數(shù)的測試，圖7 為相應(yīng)測試結(jié)果。

圖7 中偏下測試曲線為高環(huán)境溫度水平下的燃點(diǎn)測試試驗(yàn)結(jié)果，偏上曲線為常態(tài)壽命燃點(diǎn)試驗(yàn)溫度下的對(duì)比測試結(jié)果?？梢?，產(chǎn)品的光通維持率在高燃點(diǎn)環(huán)境溫度下呈現(xiàn)快速衰減趨勢(shì)，至1968h，樣品的光通量衰減達(dá)到58. 2%，這表明以環(huán)境溫度為加速測試因素的試驗(yàn)方法存在一定的可行性。為進(jìn)一步分析影響高環(huán)境溫度下樣品光通衰減的因素，對(duì)試驗(yàn)后樣品做拆解分析，測試各部件在燃點(diǎn)過程中所導(dǎo)致的光通量衰減，試驗(yàn)結(jié)果表明，燃點(diǎn)過程中由LED 封裝體所導(dǎo)致的光通量衰減為57. 9%，基本等同于樣品的光通量衰減值。也就是說，以環(huán)境溫度為加速應(yīng)力，產(chǎn)品在光通量快速衰減條件下并未出現(xiàn)非常態(tài)的壽命參數(shù)指標(biāo)變化或失效模式，即，LED 產(chǎn)品的壽命測試評(píng)價(jià)時(shí)間并不以常態(tài)低溫環(huán)境溫度下產(chǎn)品的光通維持率測試和不同維持率水平下相對(duì)一致的加速因子為必要條件，產(chǎn)品的壽命測試評(píng)價(jià)時(shí)間可在不改變產(chǎn)品失效模式的前提下縮減。

4 結(jié)論

在現(xiàn)有LED 相關(guān)壽命測試方法對(duì)比研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)LED 照明產(chǎn)品的壽命測試評(píng)價(jià)方法開展研究。以燃點(diǎn)環(huán)境溫度為加速應(yīng)力的試驗(yàn)研究表明，針對(duì)LED 照明產(chǎn)品的零部件溫度性能特性，在特定溫度水平下，產(chǎn)品的壽命評(píng)價(jià)參數(shù)指數(shù)存在顯著加速效果，同時(shí)，產(chǎn)品的光通量衰減因素和失效模式并未改變，因此，燃點(diǎn)環(huán)境溫度可作為有效的LED照明產(chǎn)品壽命加速應(yīng)力做深入研究。

現(xiàn)階段試驗(yàn)僅考慮單一應(yīng)力，為深入研究并完善LED 照明產(chǎn)品的壽命測試方法，有待在試驗(yàn)應(yīng)力、樣品代表性和零部件特性、綜合壽命評(píng)價(jià)參數(shù)等方面做進(jìn)一步細(xì)化研究。