LED照明產(chǎn)品壽命測試評價方法研究進展

 摘要： 本文在調(diào)研LED 照明產(chǎn)品國際和國家標準有關壽命評價考慮的基礎上，介紹了目前針對LED 壽命測試的相關研究工作，對LED 照明產(chǎn)品的壽命評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，且此評價方法可顯著縮短產(chǎn)品的壽命評價周期。

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。隨著藍光LED 芯片的發(fā)明和LED 照明技術的提高，LED 逐步進入普通照明領域，其技術水平也在近年呈現(xiàn)出快速的發(fā)展趨勢。LED 照明產(chǎn)品包括LED 光源和LED 燈具。針對普通照明領域，受LED 照明產(chǎn)品價格因素的影響，綜合考慮市場應用的性價比和成本收回效果，LED 照明產(chǎn)品的壽命及其評估方法在全行業(yè)內(nèi)引起了廣泛的關注，也成為近來討論和研究的熱點。

LED 照明產(chǎn)品的壽命及其評估方法研究主要基于三個方面的考慮： ( 1) 產(chǎn)品的壽命評估方法研究及實施，將完善LED 照明產(chǎn)品的性能評價體系，縮短產(chǎn)品全面性能評價的測試周期，促進產(chǎn)品技術水平的提升; ( 2) LED 照明產(chǎn)品全面性能評價的實施，將對政府的相關決策和引導提供強有力的保障，從政府引導的角度，推動LED 照明行業(yè)的發(fā)展; ( 3) 這項工作將進一步增強市場的規(guī)范發(fā)展，從消費者認知和應用選擇的角度，對LED 照明行業(yè)的健康發(fā)展提供保障。

目前國際領域內(nèi)對LED 的壽命評估也愈加關注，本文在分析國際領域內(nèi)LED 壽命評估方法的基礎上，對LED 照明產(chǎn)品壽命評價方法與實驗環(huán)境條件間的對應關系做了初步研究。

2 LED 照明產(chǎn)品壽命及相關研究現(xiàn)狀

2. 1 LED 照明產(chǎn)品的壽命

根據(jù)照明術語國家標準的規(guī)定， ( 燈的) 壽命是指燈工作到失效時，或根據(jù)標準規(guī)定認為其已失效時的總時間。根據(jù)這一術語規(guī)定，照明產(chǎn)品的壽命取決于產(chǎn)品的失效方式的相關規(guī)定和判斷?；诖耍▏H照明標準、美國照明技術規(guī)范、中國相關的國家標準和技術規(guī)范等均對LED 照明產(chǎn)品的壽命及相對應的失效判定做了相關的考慮和說明。

國際電工委員會( International ElectrotechnicalCommission,IEC) 正在展開針對原IEC /TS 62504LED Terms and Definitions 技術文件的修訂換版工作，修訂后標準將對LED 照明相關各項IEC 標準所涉及術語定義做協(xié)調(diào)統(tǒng)一，因此，改版后的IEC62504 標準將與原TS 版文件有較大不同。IEC62504 標準將從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)品隨燃點時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( 根據(jù)應用場所不同，通常設定為70%或50%) 的累積燃點時間即為產(chǎn)品的壽命。

產(chǎn)品的出光及光的維持性是LED 照明產(chǎn)品壽命指標的重要關注因素。此外，從LED 照明產(chǎn)品特性和應用場所的考慮出發(fā)，產(chǎn)品的壽命評價指標也存在一定差異，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LED 照明產(chǎn)品性能和壽命做更合理評估。表1 也給出了相關國家或地區(qū)在LED 照明產(chǎn)品壽命相關指標上的考慮。

針對LED 照明產(chǎn)品壽命相關指標的考慮，表1中標準或技術文件分別從產(chǎn)品的光通維持率LM、顏色坐標漂移、壽命時間規(guī)定和失效率等參數(shù)上做了考慮。以上各項標準或技術文件中關于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) 為單位進行指標規(guī)定，目前尚無經(jīng)驗證的切實可操作的加速測試或評價方法。我國所啟動LED 照明產(chǎn)品節(jié)能認證，在產(chǎn)品光通維持率等測試項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標準關于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》

標準，應用于LED 封裝、LED 陣列、外接驅(qū)動控制的LED 模塊。該標準規(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 為時間間隔測試光通量，測試時間不低于6000h;

② 以0h 光通量為基準，計算各時間點的光通維持率;

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

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

2. 2. 2 基于邊界函數(shù)的LED 壽命推算方法

基于IES TM21 關于LED 壽命推算方法在IEC標準技術討論會上的討論，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)對比，將適用的邊界函數(shù)所對應的壽命時間定義為該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,……為時間間隔測試LED 封裝的光通量，測試總時間應不低于6000h;

② 以0h 光通量為基準，計算各時間點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)所對應L70壽命值。

2. 2. 3 IEC 關于LED 壽命測試提案

IEC 國際標準開發(fā)過程中，有成員曾在2010 年提出針對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比的LED 器件光通維持率的推算方法，計算理論如圖3 所示。

光通維持率的推算方法為：

① 在至少兩種殼溫下進行樣品光通維持率燃點測試;

② 分別在0h,500h,1000h,2000h,3000h,……燃點時間下測試LED 器件的光通量，并計算各時刻點的光通維持率，測試時間不少于6000h;

③ 將每種溫度下的光通維持率測試點相連;

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相連;

⑤ 以上述連接點對應的時間計算加速因子;

⑥ 對至少5 個不同的光通維持率水平重復④⑤的操作，且各點間的時間間隔不應低于500h;

⑦ 計算平均加速因子;

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時間的變化。

3 LED 壽命測試推算方法對比分析及研究

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

3. 1 IES TM21 關于LED 壽命推算方法

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

根據(jù)曲線擬合結果，三種燃點環(huán)境溫度下LED壽命指標排序為，85℃下LED 壽命> 105℃下LED壽命> 55℃ 下LED 壽命，這與實際情況并不相符合，因此，IES TM21 壽命推算方法在適用性需要做進一步研究確認。

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 光通維持率測試結果與邊界函數(shù)上對應時刻點維持率數(shù)值高低來確認LED 的最低壽命指標。采集LED 產(chǎn)品進行6000h 光通維持率測試，并根據(jù)指數(shù)衰減邊界函數(shù)進行擬合，結果如圖5 所示。

圖5 給出了100000h 和500000h 壽命的邊界函數(shù)曲線，對三種LED 產(chǎn)品的光通維持率測試曲線做對比可見，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 基于溫度加速比對的LED 壽命推算方法及研究

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

3. 3. 1 試驗方案

壽命燃點過程中，受LED 器件、透鏡、驅(qū)動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)指標的衰減主要表現(xiàn)在光通量衰減和顏色漂移兩個方面。考慮到產(chǎn)品零部件間的交互影響，LED 照明產(chǎn)品的壽命評價試驗方法以整體LED 照明產(chǎn)品為研究對象，因此試驗條件的設定考慮針對整體產(chǎn)品的實際測試操作可行性。

本階段以燃點環(huán)境溫度為試驗應力，設定不同溫度水平，在控溫環(huán)境溫度( ± 2℃) 下對燈進行燃點試驗，采用積分球- 光譜輻射度計測量系統(tǒng)監(jiān)測燈在長期燃點過程中各溫度水平下LED 照明產(chǎn)品壽命參數(shù)指標的變化情況。溫度水平的設定和試驗過程中樣品狀態(tài)的分析確認是試驗的重要考慮因素。

首先采集試驗樣品，監(jiān)測不同燃點環(huán)境溫度下燈零部件的溫度，以確定溫度應力試驗的極限水平，試驗結果如圖6 所示。

結合LED 照明產(chǎn)品各零部件的性能，對圖7 所示溫度監(jiān)測結果進行分析，確定溫度應力試驗的水平上限，進而設定各燃點環(huán)境溫度水平。

3. 3. 2 實驗結果

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

圖7 中偏下測試曲線為高環(huán)境溫度水平下的燃點測試試驗結果，偏上曲線為常態(tài)壽命燃點試驗溫度下的對比測試結果?？梢?，產(chǎn)品的光通維持率在高燃點環(huán)境溫度下呈現(xiàn)快速衰減趨勢，至1968h,樣品的光通量衰減達到58. 2%,這表明以環(huán)境溫度為加速測試因素的試驗方法存在一定的可行性。為進一步分析影響高環(huán)境溫度下樣品光通衰減的因素，對試驗后樣品做拆解分析，測試各部件在燃點過程中所導致的光通量衰減，試驗結果表明，燃點過程中由LED 封裝體所導致的光通量衰減為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)指標變化或失效模式，即，LED 產(chǎn)品的壽命測試評價時間并不以常態(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一致的加速因子為必要條件，產(chǎn)品的壽命測試評價時間可在不改變產(chǎn)品失效模式的前提下縮減。

4 結論

在現(xiàn)有LED 相關壽命測試方法對比研究的基礎上，針對LED 照明產(chǎn)品的壽命測試評價方法開展研究。以燃點環(huán)境溫度為加速應力的試驗研究表明，針對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)品的壽命評價參數(shù)指數(shù)存在顯著加速效果，同時，產(chǎn)品的光通量衰減因素和失效模式并未改變，因此，燃點環(huán)境溫度可作為有效的LED照明產(chǎn)品壽命加速應力做深入研究。

現(xiàn)階段試驗僅考慮單一應力，為深入研究并完善LED 照明產(chǎn)品的壽命測試方法，有待在試驗應力、樣品代表性和零部件特性、綜合壽命評價參數(shù)等方面做進一步細化研究。