王 偉

(必維歐亞電氣技術(shù)咨詢服務(wù)(上海)有限公司，上海 201612)

室外LED燈具可靠性評價方法研究

王 偉

(必維歐亞電氣技術(shù)咨詢服務(wù)(上海)有限公司，上海 201612)

本文介紹了室外LED燈具的可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目，分析了MTTF與樣品數(shù)量、置信水平和試驗(yàn)時間之間的關(guān)系，有助于對室外LED燈具的聲稱壽命進(jìn)行預(yù)先判斷；另外還研究了LED燈具系統(tǒng)可靠度與置信水平、樣品數(shù)量之間的關(guān)系，通過選擇合適的加速壽命試驗(yàn)項(xiàng)目和樣品數(shù)量，可以比較方便的預(yù)測出LED燈具的系統(tǒng)可靠度水平。本文的研究結(jié)果可以為準(zhǔn)確評價室外LED燈具的可靠性提供一定的技術(shù)支撐，而且為其壽命預(yù)測做出貢獻(xiàn)。

LED燈具；可靠性；壽命；置信水平

引言

近年來，隨著LED技術(shù)的飛速發(fā)展，LED照明產(chǎn)品以其高效、節(jié)能、穩(wěn)定和越來越低的價格逐步獲得了市場的認(rèn)可，開始在照明領(lǐng)域大行其道。然而，日益激烈的同質(zhì)化市場競爭引發(fā)的價格戰(zhàn)也對產(chǎn)品的質(zhì)量造成了良莠不齊的狀況。如果在流通市場中大量出現(xiàn)劣質(zhì)的產(chǎn)品，不僅會損害消費(fèi)者的利益，而且會讓LED照明產(chǎn)品經(jīng)不住市場的考驗(yàn)，質(zhì)量的參差不齊也會影響到LED產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

LED照明產(chǎn)品宣稱有非常優(yōu)異的可靠性，但是如何評價其可靠性一直是困擾LED照明企業(yè)的一大難點(diǎn)。當(dāng)前對LED可靠性研究較多的主要集中在芯片層面，主要是分析LED芯片的失效機(jī)理，對LED芯片、封裝器件及模組進(jìn)行可靠性的研究[1-2]。作為半導(dǎo)體照明的主流終端產(chǎn)品，LED燈具主要包括：LED芯片或模組、電子組件、光學(xué)材料、散熱結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)材料等[3]。每個部分的可靠性都需要考慮到，不能僅僅用LED芯片的可靠性來替代LED燈具的整體可靠性。

以室外LED燈具為例，由于在室外工作，需要經(jīng)歷高低溫、潮濕、鹽霧等惡劣環(huán)境，所以要對室外LED燈具的可靠性進(jìn)行評價，就需要對LED燈具建立適當(dāng)?shù)目煽啃栽囼?yàn)項(xiàng)目，利用科學(xué)合理的方法進(jìn)行驗(yàn)證。本文在給出LED燈具可靠性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，計(jì)算了一些試驗(yàn)項(xiàng)目的加速因子，從而可以得出室外LED燈具的平均失效時間(MTTF)，最后引入可靠度的指標(biāo)輔助MTTF來對LED燈具可靠性進(jìn)行評價。

1 室外LED燈具的可靠性試驗(yàn)

對于一般場合使用的LED燈具，應(yīng)滿足溫度循環(huán)試驗(yàn)、電源開關(guān)試驗(yàn)和加速工作壽命試驗(yàn)的要求[4]。但是對于室外LED燈具，結(jié)合其具體的實(shí)際使用情況，本文給出了用于評價室外LED燈具可靠性的相應(yīng)試驗(yàn)項(xiàng)目，分別包括溫度循環(huán)試驗(yàn)、溫度沖擊試驗(yàn)、恒定濕熱試驗(yàn)、高溫儲存試驗(yàn)、低溫啟動試驗(yàn)、開關(guān)試驗(yàn)、振動試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)和高溫操作試驗(yàn)。在這9個可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目中，有3個可靠性試驗(yàn)可以施加加速效果，分別為溫度循環(huán)試驗(yàn)、恒定濕熱試驗(yàn)和高溫操作試驗(yàn)，其余的試驗(yàn)項(xiàng)目的加速因子均為1。

1.1 加速狀態(tài)下的溫度循環(huán)試驗(yàn)

由于考慮到極寒地區(qū)(如東北地區(qū))室外的情況，加速狀態(tài)下的溫度循環(huán)試驗(yàn)將低溫可以設(shè)置到-40℃，試驗(yàn)溫度范圍為-40℃～50℃，每個循環(huán)4 h，循環(huán)次數(shù)為250次(1000 h)。1個循環(huán)周期包括在每個極端溫度下各保持1 h和溫度極限之間的1 h轉(zhuǎn)換時間，升降溫速率為1K/min，接通和斷開燈具的時間均為17min[5]。其中溫度變化的加速因子由Coffin-Mason公式計(jì)算[3]：

(1)

其中，ΔTstress為加速試驗(yàn)下的溫度變化，ΔTnormal為正常應(yīng)力下的溫度變化，n為溫度變化的系數(shù)，與缺陷機(jī)制和材料相關(guān)。對于無鉛焊點(diǎn)，這個加速系數(shù)取1.9～2.0，這里n取為2。正常狀態(tài)下的溫度循環(huán)試驗(yàn)的溫度范圍為-10℃～40℃，加速因子為AF=(90/50)2=3.24。如果企業(yè)提供使用的溫度范圍超過試驗(yàn)溫度差，即不存在加速，應(yīng)用企業(yè)提供的溫度范圍。

1.2 恒定濕熱試驗(yàn)

對于在濕熱環(huán)境(如廣東地區(qū))下使用的室外LED燈具，應(yīng)滿足恒定濕熱試驗(yàn)的要求。室外LED燈具的環(huán)境試驗(yàn)溫度為(40±2)℃，相對濕度為(93±2)%，在額定工作條件下進(jìn)行試驗(yàn)。一個循環(huán)的開關(guān)間隔時間為2 h開，2.5 h關(guān)，循環(huán)次數(shù)80次(360 h)。恒定濕熱的加速因子由Hallberg-Peck方程計(jì)算得出：

(2)

其中，EA是缺陷機(jī)制的激活能，k為玻爾茲曼參數(shù)(8.6174×10-5eV/K)，RHs是應(yīng)力測試環(huán)境下的相對濕度，RHo是正常工作環(huán)境下的相對濕度，TS是應(yīng)力環(huán)境溫度，TO是正常工作環(huán)境溫度。

根據(jù)市場常見LED產(chǎn)品的LM-80數(shù)據(jù)，一般的LED照明產(chǎn)品的激活能經(jīng)常采用的數(shù)值是0.45eV，以覆蓋大部分的優(yōu)良產(chǎn)品。室外燈具正常工作環(huán)境下的相對濕度一般為60%，這里應(yīng)力環(huán)境溫度為40℃，正常工作環(huán)境溫度為25℃。所以根據(jù)公式(2)，與濕度相關(guān)的加速因子為3.72，總的加速因子為8.62。

1.3 高溫操作試驗(yàn)

高溫操作試驗(yàn)應(yīng)在試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)溫度至少比推薦工作溫度高10℃，室外燈具不低于50℃，試驗(yàn)時間為360 h，試驗(yàn)時燈具接通電源，保持工作。加速因子由Arrhenius化學(xué)動力學(xué)公式?jīng)Q定，如公式(3)所示：

(3)

該公式常常用來描述物理化學(xué)的反應(yīng)速率，也是表達(dá)半導(dǎo)體失效機(jī)理熱加速的近似模型。式中，EA是熱激活能，To是企業(yè)推薦的最高工作溫度，Tj是試驗(yàn)溫度。一般的LED激活能經(jīng)常采用0.45eV，對于室外燈具，企業(yè)一般宣稱的最高工作溫度范圍為30℃～45℃，這里以40℃為例，在試驗(yàn)溫度比推薦溫度高20℃下的加速因子為2.72。

1.4 其他可靠性試驗(yàn)

對于溫度沖擊試驗(yàn)，按照燈具的熱容量，溫浸時間可選擇3 h、2 h、1 h、30 min或10 min。如果按照2 h，一個循環(huán)需要4 h，室外燈具需要20個循環(huán)，故試驗(yàn)時間為80 h。對于高溫儲存試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為65℃或者產(chǎn)品的最高儲存溫度，保溫時間為360 h。對于低溫啟動試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為產(chǎn)品規(guī)定的最低使用溫度，持續(xù)時間為100 h。開關(guān)次數(shù)300次，20 min開關(guān)1次，1 min開，19 min關(guān)。對于開關(guān)試驗(yàn)，假設(shè)企業(yè)對室外LED燈具產(chǎn)品的額定壽命聲稱為50 000 h，開關(guān)試驗(yàn)以30 s開，30 s關(guān)為一個循環(huán)，循環(huán)次數(shù)為燈具額定壽命的一半。振動試驗(yàn)可參照GB/T 2423.10[6]進(jìn)行。對于鹽霧試驗(yàn)，在海邊或海船上使用的燈具和有耐鹽霧要求的隧道用照明燈具應(yīng)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，燈具的鹽霧試驗(yàn)環(huán)境能力按照GB/T 2423.17[7]進(jìn)行，試驗(yàn)的持續(xù)時間為48 h。

2 室外LED燈具的MTTF

對于LED燈具而言，在工作狀態(tài)下的失效通常分為突發(fā)性失效(災(zāi)難性失效)和漸進(jìn)性失效(光衰)。從過往的經(jīng)驗(yàn)來看，突發(fā)性失效一般是由于驅(qū)動電源的失效、不合格的燈珠和燈具安全問題引起的LED燈具突然不能正常工作，這里我們關(guān)注LED燈具的漸進(jìn)性失效。在經(jīng)過上述的LED燈具可靠性試驗(yàn)之后，對室外LED燈具可靠性的評價非常重要。

LED燈具的可靠性信息中，MTTF(平均失效時間)能夠有效的表征LED燈具正常工作的失效時間情況，從而可以作為一個考量LED燈具可靠性的指標(biāo)。根據(jù)IEC/TS 62861—2015[3]中對LED系統(tǒng)可靠性的預(yù)測，呈指數(shù)分布的MTTF是用Chi-square(卡方)分布來發(fā)現(xiàn)置信水平(confidence level)的。在形狀參數(shù)已經(jīng)知道的情況下，卡方分布也可以用于Weibull分布。MTTF是總試驗(yàn)時間與失效次數(shù)的比值，如果試驗(yàn)過程中沒有失效發(fā)生，正如LED燈具正常工作中的壽命，基于置信水平，MTTF可以表達(dá)成公式(4)

(4)

如果LED燈具需要進(jìn)行多個試驗(yàn)項(xiàng)目，在無失效的情況下，公式(4)中的分子可以表示為

(5)

如果試驗(yàn)項(xiàng)目中有加速試驗(yàn)，全部試驗(yàn)時間的計(jì)算中要加入加速因子。

對于室外LED燈具，可靠性等效試驗(yàn)時間如表1所示。如果一批室外LED燈具按照最低樣品數(shù)量完成了所有的試驗(yàn)項(xiàng)目，那么等效試驗(yàn)時間總共為32 292.7h，按80%的置信水平，根據(jù)公式(4)計(jì)算平均失效時間MTTF約為20 000 h。這里是按照最嚴(yán)苛的要求對室外LED燈具進(jìn)行了多個可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目，而在實(shí)際情況中，需要根據(jù)具體使用情況的要求選擇適當(dāng)?shù)目煽啃栽囼?yàn)項(xiàng)目即可。

表1 室外LED燈具可靠性等效試驗(yàn)時間

而在實(shí)際的可靠性試驗(yàn)情況中，按照最低樣品數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)得出的結(jié)果是不夠充分的，所以為了增加試驗(yàn)的可信程度，將試驗(yàn)樣品數(shù)都調(diào)整為10個，根據(jù)表1計(jì)算得出的等效試驗(yàn)時間總共為83 269 h。圖1給出了在不同樣品數(shù)量的情況下，MTTF與置信水平之間的關(guān)系，從圖中可以看出MTTF是隨著置信水平的提高逐步降低的。對于樣品數(shù)都為10個的情況下，80%置信水平時的MTTF為51 720 h，非常接近室外LED燈具的聲稱壽命50 000h，95%置信水平時的MTTF也超過27 000h，比較接近實(shí)踐中室外LED燈具的工作狀態(tài)。

圖1 平均失效時間(MTTF)與置信水平之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between MTTF and confidence level

3 室外LED燈具的可靠度

室外LED燈具系統(tǒng)是由很多的元件組成的，主要包括LED封裝器件或模組、電子組件、光學(xué)材料、水冷系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)材料等。為了使得LED燈具系統(tǒng)達(dá)到所需的性能和可靠性，每個元件不僅要獨(dú)自正常工作，而且相互之間的作用都直接或間接的影響著整個系統(tǒng)的可靠性。從系統(tǒng)可靠性的角度來看，要掌握每個元件的可靠性細(xì)節(jié)上非常有挑戰(zhàn)性的。

在系統(tǒng)可靠性中需要用到系統(tǒng)的可靠性模型，而實(shí)際情況中至少要選擇幾種可能的模型進(jìn)行組合后分析可靠性，所用模型要描述系統(tǒng)實(shí)際工作的主要特性，但是可以不用反應(yīng)所有的細(xì)節(jié)。這里主要參數(shù)LED照明產(chǎn)品的系統(tǒng)可靠性預(yù)測技術(shù)，其中可靠性結(jié)構(gòu)簡圖可以作為一種表示邏輯系統(tǒng)架構(gòu)的方式建立系統(tǒng)可靠性模型。邏輯結(jié)構(gòu)可以說串行的、也可以說并行的，或者是兩者合并的架構(gòu)。在串行結(jié)構(gòu)中，對于n個獨(dú)立的組成部分，系統(tǒng)的可靠性用公式(6)表示

(6)

在并行結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的可靠性用公式(7)表示

(7)

比較公式(6)和公式(7)可以發(fā)現(xiàn)，原理上并行結(jié)構(gòu)的可靠性比串行結(jié)構(gòu)的可靠性更高。

對于上述的室外LED燈具加速壽命試驗(yàn)，假設(shè)是指數(shù)分布，單個試驗(yàn)項(xiàng)目的可靠度水平可以簡單地用公式(8)表示為

(8)

其中R為可靠度水平，CL為置信水平，N為樣品數(shù)量。

從表1的可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目來看，只有溫度循環(huán)試驗(yàn)、恒定濕熱試驗(yàn)和高溫操作試驗(yàn)是加速試驗(yàn)。要評價室外LED燈具進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)的可靠性，將這三個加速壽命試驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合起來施加到室外LED燈具可靠性試驗(yàn)上。由于三個加速壽命試驗(yàn)項(xiàng)目是并行結(jié)構(gòu)，所以計(jì)算總的可靠度的時候需要結(jié)合公式(7)和公式(8)。如圖2所示，分別取最低樣品數(shù)要求和樣品數(shù)都為10個的情況，隨著置信水平的提高，總體的可靠度水平在逐漸降低，最低的系統(tǒng)可靠度為63%。當(dāng)樣品數(shù)量為最低要求時，90%置信水平下系統(tǒng)的可靠度為89.4%；當(dāng)樣品數(shù)為10個時，90%置信水平下的系統(tǒng)可靠度為99.1%。

圖2 不同樣品數(shù)量的可靠度水平與置信水平之間的關(guān)系Fig.2 The dependence of the confidence level on reliability level for different sample sizes

LED燈具產(chǎn)品一般是由串行結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)組合而成的，實(shí)際的結(jié)構(gòu)函數(shù)非常復(fù)雜。不僅有各個關(guān)鍵元部件的可靠性以及相互之間的作用影響，而且有不同試驗(yàn)方式帶來的外部干擾和施加的組合影響。所以，不可避免的要使用專業(yè)軟件確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型并且計(jì)算出LED燈具系統(tǒng)的可靠性。

4 總結(jié)與展望

本文通過展現(xiàn)室外LED燈具的可靠性試驗(yàn)和MTTF與樣品數(shù)量、置信水平、試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)時間之間的關(guān)系，對室外LED燈具聲稱壽命的可靠程度可以有預(yù)先的分析判斷；另外還研究了系統(tǒng)可靠度與置信水平、樣品數(shù)量之間的關(guān)系，通過選擇合適的加速壽命試驗(yàn)項(xiàng)目和樣品數(shù)量，可以比較方便的預(yù)測出LED燈具的系統(tǒng)可靠度水平。

對于LED燈具系統(tǒng)的可靠性，目前還缺乏廣泛認(rèn)可的評價體系和方法。從可靠性和壽命的角度來看，一方面需要收集和評估LED芯片或模組的可靠性數(shù)據(jù)，可以采用IES LM-80[8]來對LED芯片或模組進(jìn)行光通維持率試驗(yàn)，用TM-21[9]來推算其芯片或模組的光通維持率和壽命；另一方面需要更多的關(guān)于LED燈具的所用光學(xué)和結(jié)構(gòu)材料、電子組件和驅(qū)動電源的可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐，從而可以來評價燈具整體的可靠性和進(jìn)行壽命預(yù)測。

[1] MENEGHINI M, TREVISANELLO L. R, MENEGHESSO G, et al. A review on the reliability of GaN-based LEDs[J]. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 2008.

[2] CHANG M. H, DAS D., VARDE P. V., et al. Light emitting diodes reliability review[J]. Microelectronics Reliability, 2012.

[3] IEC/TS 62861 Ed.1, Guide to principal component reliability testing for LED light sources and LED luminaires, 34A/1847/CD, 2015.

[4] LED燈具可靠性試驗(yàn)方法(報(bào)批稿):GB/T XXXXX—201X.

[5] IEC 62717, LED modules for general lighting-Performance requirements, 2014.

[6] 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Fc：振動(正弦):GB/T 2423.10—2008[S].

[7] 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Ka：鹽霧:GB/T 2423.17—2008[S].

[8] Approved method: Measuring luminous flux and color maintenance of LED packages, arrays and modules:IES LM-80-15[S].

[9] Projecting long term lumen maintenance of LED light sources:IES TM-21-11[S].

Study of Assessment Method for the Reliability of Outdoor LED Luminaires

WANG Wei

(Lcie China Company Limited, Shanghai 201612,China)

In this paper, the reliability testing projects were introduced for outdoor LED luminaires. Analyzing the relationship among MTTF and sample size, confidence level and the testing time, this would help to previously estimate the claimed lifetime of outdoor LED luminaires. Moreover, the relationship of system reliability of LED luminaires and confidence level and sample size was studied. Then it could be convenient to predict the system reliability level of LED luminaires through choosing the suitable projects of accelerating life testing and sample size. The research results can provide the technical support for precisely assessing the reliability of outdoor LED luminaires, and can make contribution to the life prediction of those luminaires.

LED luminaires; reliability; life; confidence level

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.025