LM-80不等于LED燈具的壽命

一、前言

目前LED燈泡在市場中存在著兩個(gè)重要的問題：

第一是標(biāo)識不清。根據(jù)工研院測試業(yè)界的LED燈泡發(fā)現(xiàn)，高達(dá)五成以上的LED燈泡，所標(biāo)示的實(shí)際光通量均低于標(biāo)示值10%以上。

第二是品質(zhì)參差不齊。目前市場上沒有一套規(guī)范能夠說清楚LED燈泡的售價(jià)與品質(zhì)之關(guān)系。造成消費(fèi)者經(jīng)常拿著“蘋果和橘子”在比較，有些更是花了較高的價(jià)格，但并沒有買到品質(zhì)相對高的產(chǎn)品，這種劣幣逐良幣的情形越來越嚴(yán)重，也引起了歐美日等國高度關(guān)注LED燈具/燈泡的標(biāo)識和品質(zhì)的問題。

有鑑于此，經(jīng)濟(jì)部能源局針對LED燈泡也加速節(jié)能標(biāo)章的推動，對這件事情來說，筆者是一則以喜，一則以憂。喜的是至少臺灣快要有一個(gè)共通性的標(biāo)準(zhǔn)，可以提供消費(fèi)者來選擇自己所需要的LED燈泡。憂的是，消費(fèi)者花了比較多的錢，購買了符合“節(jié)能標(biāo)章基準(zhǔn)要求項(xiàng)目”的LED燈泡，真的就有了品質(zhì)上的保障嗎?

二、流明維持率足以代表LED燈具壽命嗎?

目前市場上較具官方代表性的規(guī)范，能夠與燈泡壽命扯上一點(diǎn)關(guān)系的，應(yīng)該是屬美國環(huán)境保護(hù)署/能源之星針對LED燈泡/燈具所發(fā)布的LM-80規(guī)范了。然而，自從此規(guī)范發(fā)布之后，在北美已陸續(xù)出現(xiàn)了一些不同的聲音，有些可靠性專家們甚至開始呼吁，應(yīng)該要立即停止以LM-80的流明維持率(L70)作為LED燈泡或燈具壽命判斷的唯一依據(jù)。

事實(shí)上，2006年時(shí)，美國能源部固態(tài)照明(SSL)品質(zhì)工作小組，邀請了32位可靠性專家們，針對LED的可靠性與壽命估算方法進(jìn)行非常深入的討論。在考量LED當(dāng)時(shí)產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力后，工作小組決定，以流明維持率(L70)來代表LED元件和燈具的可靠性會最為顯著，也是最容易被量化的指標(biāo)。原因是，傳統(tǒng)鎢絲燈泡在使用上，只要鎢絲燒毀了，就表示燈泡壽命到了，而LED燈泡在流明衰退上，是逐漸而緩慢的，在衰退初期，人們在視覺上是感覺不到的，一直要等到光源衰退至初始光源的70%(L70)時(shí)，人們才會感覺的到燈泡變暗，這時(shí)也就影響到照度。因此，工作小組建議以流明維持率(L70)作為LM-80規(guī)范的唯一判定依據(jù)。但爭議點(diǎn)是，流明維持率等不等于LED燈泡或燈具的壽命(Life Time)? LM-80規(guī)范有存在著什么樣的問題呢?

三、蘋果要跟蘋果比：LED燈具是“電子產(chǎn)品”，不是傳統(tǒng)“燈泡”

LED元件壽命：

基本上LED元件是發(fā)光二極管，本就屬電子元件的一種。因此，若要談LED元件的壽命，應(yīng)該使用已經(jīng)相當(dāng)成熟的電子元件加速壽命試驗(yàn)(ALT)方法，配合取樣數(shù)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等，來評估LED元件壽命。以目前LM-80規(guī)范來說，以三種試驗(yàn)溫度，配合能源之星所訂定的流明維持率要求，作為LED元件的失效判定標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)爭議是不大的，特別是在TM-21壽命推估方式發(fā)布后，更解決了各廠商在LED元件壽命上各說各話的情形，但是對使用LED元件的燈具廠來說，可能產(chǎn)生的爭議點(diǎn)是：

1. 在能源之星/LM-80規(guī)范中，要求LED元件必須通過三種不同溫度的試驗(yàn)，在每個(gè)試驗(yàn)溫度下，最少必須有20顆LED元件通過6000小時(shí)的試驗(yàn)，并以流明維持率作為試驗(yàn)成敗的唯一判斷依據(jù)。爭議就在于，如果在6000小時(shí)試驗(yàn)過程中，有LED元件出現(xiàn)不亮或燒毀的情形，均可不列入流明維持率的計(jì)算，單單此舉，就已經(jīng)不符合LED元件壽命計(jì)算的要求了。

2. 若要采用LM-80試驗(yàn)數(shù)據(jù)做為壽命計(jì)算依據(jù)也是可行的，只要清楚定義那些失效模式代表著失效即可(例如：流明維持率、死燈、燒毀、色座標(biāo)/電壓/電流偏移等)，任何失效定義之失效模式出現(xiàn)時(shí)，即代表LED元件的壽命到了。除了晶粒品質(zhì)外，包括封裝材料的選擇到打線技術(shù)等，都影響到LED元件的壽命與可靠性。因此，對于要執(zhí)行LM-80或是壽命驗(yàn)證的LED元件來說，先通過“可靠性資格驗(yàn)證”絕對有其必要性。

備注：在執(zhí)行LM-80/6000小時(shí)的試驗(yàn)過程中，為了降低部分LED失效而使試驗(yàn)中斷的風(fēng)險(xiǎn)，通常LED元件廠會提高試驗(yàn)的取樣數(shù)量，當(dāng)試驗(yàn)過程中有部分LED出現(xiàn)死燈或早夭時(shí)，能源之星是允許故障樣品不列入平均流明維持率的計(jì)算，但要求必須在LM-80報(bào)告中注明。因此，燈具廠商在閱讀LED供應(yīng)商所提供的LM-80報(bào)告時(shí)，除了須了解試驗(yàn)溫度與流明維持率外，樣品數(shù)量資訊就更須審慎了。

LED燈泡/燈具壽命

影響LED燈泡或燈具壽命，真的只有流明維持率這個(gè)因子嗎? 基本上，LED燈具是由括調(diào)光器，電源供應(yīng)器，發(fā)光二極管，光機(jī)驅(qū)動元件、散熱模組等所組成，這表示整個(gè)燈具的壽命，實(shí)際上是由數(shù)個(gè)電子模組串聯(lián)或并聯(lián)所構(gòu)成，而每個(gè)電子模組都有各自的功能和可靠性水準(zhǔn)，當(dāng)任何一個(gè)模組發(fā)生問題時(shí)，都代表著LED燈具失效了，這點(diǎn)與傳統(tǒng)鎢絲燈泡大不相同，如果我們把LED產(chǎn)品看做電子產(chǎn)品，哪些是構(gòu)成LED產(chǎn)品失效的主要原因呢?

其實(shí)，從一般電子產(chǎn)品的常見失效情形就可以窺出一二。電子產(chǎn)品常見的失效包括散熱設(shè)計(jì)不良、過載使用、驅(qū)動電路故障、電源故障以及零件或制程工藝不良等。只要是會發(fā)生在電子產(chǎn)品上的失效情形，基本上都會出現(xiàn)在LED產(chǎn)品上，針對這類型的缺陷，通?？衫秒娮赢a(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)驗(yàn)證手法，在實(shí)驗(yàn)室被提早發(fā)現(xiàn)而加以改善。另一種失效是屬于電氣特性上的失效，若以LED燈具來說，如流明維持率、色溫/色彩變化、電源參數(shù)偏移等，針對這類型的缺陷，則利用環(huán)境試驗(yàn)與可靠性證明試驗(yàn)加以驗(yàn)證即可。因此，從過去在電子產(chǎn)品在可靠性上的經(jīng)驗(yàn)來看，LED產(chǎn)品也應(yīng)遵循著傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品環(huán)境與可靠性試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑏砑右则?yàn)證其可靠性與壽命才對。

目前，在文獻(xiàn)上要找到大量的LED燈具故障數(shù)據(jù)并不是一件容易的事，近兩年來比較大規(guī)模的數(shù)據(jù)，是在美國東部的賓夕法尼亞州埃爾伍德市。埃爾伍德市從5400盞戶外LED路燈失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中得知，電源與控制驅(qū)動模組失效占59%，散熱不良占31%，LED元件不良約占10%。這是以美國設(shè)計(jì)與封裝技術(shù)能力的產(chǎn)品，并針對戶外用LED路燈實(shí)際所觀測的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可得知電源模組與控制驅(qū)動模組所占的失效比例最大，散熱不良造成失效為第二，加上戶外環(huán)境因子較室內(nèi)環(huán)境因子復(fù)雜(包括溫度、濕度、雨水/結(jié)露、灰塵、硫化腐蝕、雷擊、電源變動等)。因此，對戶外用LED產(chǎn)品來說，環(huán)境模擬試驗(yàn)與壽命試驗(yàn)更形重要，而不僅僅是節(jié)能或流明維持率這些事了。

四、對LED成品廠的建議

1. LED成品的可靠性與壽命，是由各分項(xiàng)模組的可靠性所組成。因此，必須依層級建立LED元件和各模組階段的可靠性評估方法或標(biāo)準(zhǔn)，并將此標(biāo)準(zhǔn)訂定于買賣合約中。(如LED LM-80報(bào)告，模組可靠性試驗(yàn)、EMC、安規(guī)等報(bào)告)。

2. 建立LED成品可靠性設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)劃，并于產(chǎn)品雛型階段執(zhí)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，這絕對是LED產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵所在。

3. 建立一套LED燈具之環(huán)境模擬與壽命加速試驗(yàn)規(guī)范等。

五、對LED元件廠的建議

1.以目前市場來說，符合LM-80試驗(yàn)的LED元件，一定有助于全球市場的開拓。

2.執(zhí)行LM-80試驗(yàn)前，必須先進(jìn)行可靠性資格試驗(yàn)(Reliability Qualification Test)，以確認(rèn)封裝品質(zhì)與電器性能有無缺陷存在，亦可避免在LM-80試驗(yàn)途中出現(xiàn)失效，而使得整體試驗(yàn)必須重新來過。

3.進(jìn)行LM-80流明維持率試驗(yàn)時(shí)，可提高取樣數(shù)量，在以總試驗(yàn)數(shù)量進(jìn)行MTTF的計(jì)算，如可一舉兩得。至于LED元件可靠性資格試驗(yàn)的項(xiàng)目，則可依循LED元件使用任務(wù)需求參考相關(guān)規(guī)范即可。(如AEC-Q101、JEDEC/JESD22、MIL-STD-883、Telcordia GR 468等)

六、結(jié)語

一個(gè)產(chǎn)品壽命要好，供應(yīng)鏈中無人能置身事外，更無須質(zhì)疑的，符合LM-80的LED元件品質(zhì)，一定比不符合的來的好。當(dāng)LED產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，市場也經(jīng)常傳來LED企業(yè)倒閉的消息，如果還能夠存活下來的公司，“成本”與“品質(zhì)”將是王道。尋找專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室給予協(xié)助，絕對是提升品質(zhì)與市場競爭力最快速的方法之一。