基于FMECA方法的LED燈具可靠性分析

湖北工業大學機械工程學院 李婳婧 聶 磊 黃 飛

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基于FMECA方法的LED燈具可靠性分析

湖北工業大學機械工程學院 李婳婧 聶 磊 黃 飛

【摘要】基于FMECA方法，對LED燈具進行了可靠性分析。以LED燈具可靠性試驗數據為基礎，對LED燈具進行了層次劃分，掌握了子系統結構與功能及其相互之間的可靠性關系；建立了FMECA分析表格，從而得到了系統潛在失效形式、主要薄弱環節和危害度的相關數據。提出可能采取的預防方案及改正措施，并對LED燈具進行定性和定量的可靠分析，最終為提高產品的質量和可靠性提出了建議。

【關鍵詞】LED燈具；FMECA；FMECA分析表；可靠性分析

本文系國家自然科學基金（51305130），湖北省自然科學基金（2014CFB178），湖北省教育廳重點項目（D20131407）。

1　引言

隨隨著照明行業的飛速發展，LED燈具作為新型固態冷光源，憑借其體積小、耗電量低、壽命長（壽命是普通熒光燈的10倍）、發光效率高等特點，應用領域日益擴大正[1]。但是，由于其發展歷史還不長，產品的設計與工藝缺乏經驗積累，市場上不僅沒有健全的可靠性標準和完善的檢驗方法，而且缺乏有效的可靠性檢驗手段對燈具的質量進行把關，導致LED燈具可靠性較低，使得廣大生產企業對大規模投產LED燈具心存疑慮，這也嚴重阻礙了LED燈具發展和應用[2-3]。

大多數的研究都集中在對LED燈具的封裝進行加速壽命試驗并分析燈具的壽命和失效模式[4-5],鮮有對LED燈具系統進行全面的FMECA分析。本課題就是通過對LED燈具系統及其所包含的主要子系統進行FMECA，找出潛在的失效形式，判斷薄弱環節，確定主要故障的發生概率和嚴重程度，提出可能采取的預防及改正措施，從而提高產品的質量和可靠性。FMECA分析方法不僅在設計中可用于對系統可靠性的預測和評定，還可以用于對設計、制造和維修中問題原因的分析和尋找[6-7]。進而縮短項目時間、降低項目成本和風險。所以開展失效模式研究和分析為提高公司產品的質量，為產品可靠性設計提供有關信息和歷史資料，都有著深遠的社會效益和經濟效益。

2　FMECA方法分析

2.1FMECA方法

故障模式影響及危害性分析（Failure Mode ,Effects and Criticality Analysis，簡記為FMECA）方法作為一種“自上而下”的邏輯分析方法，分為故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA）兩個部分，是可靠性分析技術的主要方法。FMECA主要分析產品中每個組件的潛在故障，通過分析和計算危害性，可以分辨故障的嚴重程度，從而對產品日后的維修使用和機構的優化升級，提高可靠的理論支持[8-9]。特別是針對LED燈具這種新型的、不穩定的、運用廣泛的電子產品，運用FMECA方法，可以全面的對LED燈具進行定量的可靠性分析。

2.2研究對象及其功能結構分析

LED（Light Emitting Diode）發光二極管是一種固態的半導體元件。某公司提供的LED燈具樣品實物結構圖如圖1所示。由于LED燈具相對其他普通燈具結構較為復雜，所以對其組成的元器件、部件和自制組件失效原因進行分析是一項非常困難的工作。如對每一個元器件均進行失效模式分析，需要統計和收集大量的原始資料和信息，工作量大且效率較低。因此本文將LED燈具分成3子系統：LED封裝子系統，驅動電路板系統和燈體。僅對關鍵的和問題多的元器件進行失效模式研究及影響的重點分析，這樣既簡化分析內容，又抓住了主要矛盾，為解決設計、生產、使用或維修中的主要問題提供理論依據。

通過子系統劃分，我們發現子系統內各部件既相互控制和影響又協同工作。在進行可靠性分析前，通過互相連接的框圖不僅可以反應各部件之間的功能關系，還可以用來顯示系統的失效邏輯，分析系統中每一個成分的失效率對系統的影響，以幫助評估系統的整體可靠性。根據LED結構特點分析，發現LED燈具三個子系統為串聯，也就是無亂哪個子系統失效都會引發LED燈具系統失效，因此在分析整燈可靠性之前，應該先對每個子系統進行分析。LED燈具的可靠性方框圖如圖2所示。

圖1　LED燈具實物圖

圖2　LED燈具的可靠性方框圖

3　FMECA表格的設計與分析

綜合研究相關資料，結合產品的實際情況和前期可靠性試驗，設計并完成了FMECA分析表。建立QC小組，針對對每種故障模式和每個部件，進行RPN風險等級評估。對風險優先數較高的部件，依照故障原因，提出糾正措施和優化方案。從而消除或控制潛在的失效模式，減少產品的不合格率，提高產品可靠性[11]。根據《裝備研制與生產的可靠性通用大綱》實施指南和中華人民共和國國家軍用標準GJB1391-92[12]，繪制的LED燈具的FMECA表格，見附件1。對FMECA表進行分析，得出發生故障的主要失效模式為硅膠的性能退化、熒光粉碳化、驅動電路板燒壞產生空洞或斷裂。

單獨對元器件進行分析，可以清楚的發現LED封裝里的硅膠和LED驅動電路板中的驅動電路板，這2個部件危險優先數較高，是影響LED燈具系統可靠性的關鍵；此外，熒光粉、電容和驅也是燈具的薄弱環節。它們的故障模式，故障原因和對燈具的影響各不相同。

附件1：　LED燈具的FMECA分析表

4　結論

本文運用FMECA方法對LED燈具進行了定性和定量的可靠性分析，并在此基礎上，結合每種故障模式的發生概率和嚴酷程度，找出了LED燈具的薄弱環節，提出了相關的預防與改進措施。從而使得產品的可靠性得到一定程度的提高。具體結論如下：

1）不同的部件由于結構差異和功能迥異，在工作中會產生各種故障模式，不同的故障模式也會對產品帶來不同程度的影響。通過FMECA對產品潛在的每一種故障模式進行分析，根據危險優先系數對部件進行定量的可靠性分析。

2）硅膠的性能退化、熒光粉碳化、驅動電路板燒壞和元器件脫落（熒光粉脫落、電容脫落）為主要的故障模式；LED封裝里的硅膠和LED驅動電路板中的驅動電路板，這2個部件危險優先數較高，是影響LED燈具系統可靠性的關鍵部件。

3）材料疲勞老化導致電子元器件提前失效也是故障多發原因，應加強對外購件和自制件的質量監督，加強裝配前檢測的力度。

FMECA分析表中危險優先系數和改進措施，可以作為LED燈具結構優化和材料選擇的理論基礎，為LED燈具質量和可靠性的提高提供寶貴經驗。

參考文獻

[1]施曉紅,陳超中,李為,軍王曄,聚焦LED燈具和LED光源的基本概念[J].中國照明電器,2010,10:33-36.

[2]W.D.van Driel, C.A.Yuan et al,“LED System Reliability, EuroSimE,”2011,5:1-5.

[3]S.Koh,W.D.van Driel et al,“Solid State Lighting System Reliability,”ChinaSSL, 2011,p121-126.

[4]楊少華,吳福根,張春華.白光LED 的失效機理分析[J].半導體光電,2009,29(6):857-860.

[5]Fu-Kwun Wang,Tao-Peng Chu,“Lifetime predictions of LED-based light bars by accelerated degradation test,”Microelectronics Reliability,2012, 52:1332-1336.

[6]劉智勇.航空產品失效模式的研究[D].西北工業大學,電子與信息,2004.

[7]曹健齡,楊義明,失效模式與效應分析的作業方式[J].質量管制月刊,2003,3(2):55-59.

[8]Gong Dequan,“Application of FMECA method to improve design reliability,” Shanghai Space,1995,3:25-29.

[9]Lu Tingxiao,Zheng Pengzhou,“Design and Analysis of Reliability,”National Industry Press,1995,p:140-149..

[10]Chrysler Corporation,“Potential Failure Mode And Effect analysis (FMEA) Reference Manual,”Ford Motor Company and General Motors Corporation(SAE J 1739), 1995.

[11]周海京,遇今,故障模式、影響及危害性分析與故障樹分析[M].航空工業出版社,2003:1-167.

[12]GJB1391-92，中華人民共和國國家軍標[S].

李婳婧（1990—），湖北工業大學機械工程學院碩士研究生在讀。

通訊作者：聶磊。

作者簡介：