室外LED燈具可靠性評價方法研究

王 偉

(必維歐亞電氣技術咨詢服務(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

(必維歐亞電氣技術咨詢服務(上海)有限公司，上海 201612)

本文介紹了室外LED燈具的可靠性試驗項目，分析了MTTF與樣品數量、置信水平和試驗時間之間的關系，有助于對室外LED燈具的聲稱壽命進行預先判斷；另外還研究了LED燈具系統可靠度與置信水平、樣品數量之間的關系，通過選擇合適的加速壽命試驗項目和樣品數量，可以比較方便的預測出LED燈具的系統可靠度水平。本文的研究結果可以為準確評價室外LED燈具的可靠性提供一定的技術支撐，而且為其壽命預測做出貢獻。

LED燈具；可靠性；壽命；置信水平

引言

近年來，隨著LED技術的飛速發展，LED照明產品以其高效、節能、穩定和越來越低的價格逐步獲得了市場的認可，開始在照明領域大行其道。然而，日益激烈的同質化市場競爭引發的價格戰也對產品的質量造成了良莠不齊的狀況。如果在流通市場中大量出現劣質的產品，不僅會損害消費者的利益，而且會讓LED照明產品經不住市場的考驗，質量的參差不齊也會影響到LED產業的持續發展。

LED照明產品宣稱有非常優異的可靠性，但是如何評價其可靠性一直是困擾LED照明企業的一大難點。當前對LED可靠性研究較多的主要集中在芯片層面，主要是分析LED芯片的失效機理，對LED芯片、封裝器件及模組進行可靠性的研究[1-2]。作為半導體照明的主流終端產品，LED燈具主要包括：LED芯片或模組、電子組件、光學材料、散熱結構和結構材料等[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，需要經歷高低溫、潮濕、鹽霧等惡劣環境，所以要對室外LED燈具的可靠性進行評價，就需要對LED燈具建立適當的可靠性試驗項目，利用科學合理的方法進行驗證。本文在給出LED燈具可靠性試驗的基礎上，計算了一些試驗項目的加速因子，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輔助MTTF來對LED燈具可靠性進行評價。

1 室外LED燈具的可靠性試驗

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

1.1 加速狀態下的溫度循環試驗

由于考慮到極寒地區(如東北地區)室外的情況，加速狀態下的溫度循環試驗將低溫可以設置到-40℃，試驗溫度范圍為-40℃～50℃，每個循環4 h，循環次數為250次(1000 h)。1個循環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公式計算[3]：

(1)

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

1.2 恒定濕熱試驗

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

(2)

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

根據市場常見LED產品的LM-80數據，一般的LED照明產品的激活能經常采用的數值是0.45eV，以覆蓋大部分的優良產品。室外燈具正常工作環境下的相對濕度一般為60%，這里應力環境溫度為40℃，正常工作環境溫度為25℃。所以根據公式(2)，與濕度相關的加速因子為3.72，總的加速因子為8.62。

1.3 高溫操作試驗

高溫操作試驗應在試驗箱內進行，試驗溫度至少比推薦工作溫度高10℃，室外燈具不低于50℃，試驗時間為360 h，試驗時燈具接通電源，保持工作。加速因子由Arrhenius化學動力學公式決定，如公式(3)所示：

(3)

該公式常常用來描述物理化學的反應速率，也是表達半導體失效機理熱加速的近似模型。式中，EA是熱激活能，To是企業推薦的最高工作溫度，Tj是試驗溫度。一般的LED激活能經常采用0.45eV，對于室外燈具，企業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

對于溫度沖擊試驗，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，一個循環需要4 h，室外燈具需要20個循環，故試驗時間為80 h。對于高溫儲存試驗，試驗溫度為65℃或者產品的最高儲存溫度，保溫時間為360 h。對于低溫啟動試驗，試驗溫度為產品規定的最低使用溫度，持續時間為100 h。開關次數300次，20 min開關1次，1 min開，19 min關。對于開關試驗，假設企業對室外LED燈具產品的額定壽命聲稱為50 000 h，開關試驗以30 s開，30 s關為一個循環，循環次數為燈具額定壽命的一半。振動試驗可參照GB/T 2423.10[6]進行。對于鹽霧試驗，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進行鹽霧試驗，燈具的鹽霧試驗環境能力按照GB/T 2423.17[7]進行，試驗的持續時間為48 h。

2 室外LED燈具的MTTF

對于LED燈具而言，在工作狀態下的失效通常分為突發性失效(災難性失效)和漸進性失效(光衰)。從過往的經驗來看，突發性失效一般是由于驅動電源的失效、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，這里我們關注LED燈具的漸進性失效。在經過上述的LED燈具可靠性試驗之后，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。根據IEC/TS 62861—2015[3]中對LED系統可靠性的預測，呈指數分布的MTTF是用Chi-square(卡方)分布來發現置信水平(confidence level)的。在形狀參數已經知道的情況下，卡方分布也可以用于Weibull分布。MTTF是總試驗時間與失效次數的比值，如果試驗過程中沒有失效發生，正如LED燈具正常工作中的壽命，基于置信水平，MTTF可以表達成公式(4)

(4)

如果LED燈具需要進行多個試驗項目，在無失效的情況下，公式(4)中的分子可以表示為

(5)

如果試驗項目中有加速試驗，全部試驗時間的計算中要加入加速因子。

對于室外LED燈具，可靠性等效試驗時間如表1所示。如果一批室外LED燈具按照最低樣品數量完成了所有的試驗項目，那么等效試驗時間總共為32 292.7h，按80%的置信水平，根據公式(4)計算平均失效時間MTTF約為20 000 h。這里是按照最嚴苛的要求對室外LED燈具進行了多個可靠性試驗項目，而在實際情況中，需要根據具體使用情況的要求選擇適當的可靠性試驗項目即可。

表1 室外LED燈具可靠性等效試驗時間

而在實際的可靠性試驗情況中，按照最低樣品數進行試驗得出的結果是不夠充分的，所以為了增加試驗的可信程度，將試驗樣品數都調整為10個，根據表1計算得出的等效試驗時間總共為83 269 h。圖1給出了在不同樣品數量的情況下，MTTF與置信水平之間的關系，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，比較接近實踐中室外LED燈具的工作狀態。

圖1 平均失效時間(MTTF)與置信水平之間的關系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、光學材料、水冷系統和結構材料等。為了使得LED燈具系統達到所需的性能和可靠性，每個元件不僅要獨自正常工作，而且相互之間的作用都直接或間接的影響著整個系統的可靠性。從系統可靠性的角度來看，要掌握每個元件的可靠性細節上非常有挑戰性的。

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

(6)

在并行結構中，系統的可靠性用公式(7)表示

(7)

比較公式(6)和公式(7)可以發現，原理上并行結構的可靠性比串行結構的可靠性更高。

對于上述的室外LED燈具加速壽命試驗，假設是指數分布，單個試驗項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為樣品數量。

從表1的可靠性試驗項目來看，只有溫度循環試驗、恒定濕熱試驗和高溫操作試驗是加速試驗。要評價室外LED燈具進行加速壽命試驗的可靠性，將這三個加速壽命試驗項目結合起來施加到室外LED燈具可靠性試驗上。由于三個加速壽命試驗項目是并行結構，所以計算總的可靠度的時候需要結合公式(7)和公式(8)。如圖2所示，分別取最低樣品數要求和樣品數都為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，最低的系統可靠度為63%。當樣品數量為最低要求時，90%置信水平下系統的可靠度為89.4%；當樣品數為10個時，90%置信水平下的系統可靠度為99.1%。

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

LED燈具產品一般是由串行結構和并行結構組合而成的，實際的結構函數非常復雜。不僅有各個關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軟件確定系統的結構模型并且計算出LED燈具系統的可靠性。

4 總結與展望

本文通過展現室外LED燈具的可靠性試驗和MTTF與樣品數量、置信水平、試驗項目和試驗時間之間的關系，對室外LED燈具聲稱壽命的可靠程度可以有預先的分析判斷；另外還研究了系統可靠度與置信水平、樣品數量之間的關系，通過選擇合適的加速壽命試驗項目和樣品數量，可以比較方便的預測出LED燈具的系統可靠度水平。

對于LED燈具系統的可靠性，目前還缺乏廣泛認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據，可以采用IES LM-80[8]來對LED芯片或模組進行光通維持率試驗，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于LED燈具的所用光學和結構材料、電子組件和驅動電源的可靠性數據進行支撐，從而可以來評價燈具整體的可靠性和進行壽命預測。

[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燈具可靠性試驗方法(報批稿):GB/T XXXXX—201X.

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

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

[7] 電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗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