LED照明产品光通量衰减加速试验及可靠性评估

钱　诚，樊嘉杰，樊学军，袁长安，张国旗，5

(1.半导体照明联合创新国家重点实验室，中科院半导体研究所，北京　100083；2.常州市武进区半导体照明应用技术研究院，江苏 常州　213161；3. 河海大学机电工程学院，江苏 常州　213022；4.拉玛尔大学机械工程系，博蒙特，美国；5.代尔夫特理工大学EEMCS学院，代尔夫特，荷兰)



LED照明产品光通量衰减加速试验及可靠性评估

钱诚1，2，樊嘉杰2，3，樊学军2，4，袁长安2，张国旗1，2，5

(1.半导体照明联合创新国家重点实验室，中科院半导体研究所，北京100083；2.常州市武进区半导体照明应用技术研究院，江苏 常州213161；3. 河海大学机电工程学院，江苏 常州213022；4.拉玛尔大学机械工程系，博蒙特，美国；5.代尔夫特理工大学EEMCS学院，代尔夫特，荷兰)

由于LED照明产品寿命较长，传统可靠性测试需要较高的成本和较长的运行时间，这极大地限制了LED照明产品的市场推广。因此，本文以LED光通量e指数衰减模型和Arrhenius加速模型为理论基础，提出一种适用于LED照明产品光通量衰减的加速试验方法。该方法用于评估LED照明产品可靠性时不需要被测产品所用光源的LM-80数据和基板焊点温度。模拟和实测试验的验证结果表明该方法可将LED可靠性测试通常要求的6000h测试时间缩短为2000h，并且可靠性评估结果和美国“能源之星”的评判结果基本一致。

LED照明产品；光通量衰减；加速实验；可靠性评估

引言

与传统的照明产品(如白炽灯和荧光灯等)相比，LED具有高能效、环境友好和长寿命等方面的优势。因此，LED照明产品的市场占有率越来越高[1-2]。预计到2020年全球LED照明产品的市场占有率预期将达到60%～75%以上[3]。对于LED照明产品，功能和可靠性将是消费者的两大关注点。

光通量衰减失效是LED照明产品的一种重要失效模式[4-8]，因此，现有的可靠性测试或评估方法主要针对光通量衰减失效模式而提出。由于LED高可靠性和长寿命的特点，这些传统的方法规定对LED照明产品的测试时间要不低于6000h[9-11]，其中包括：美国环境保护署提出“能源之星”(Energy Star)的判定方法[12]、国际电工委员会(IEC)的PAS62612标准[13]和北美照明协会(IESNA)发布的TM-21技术备忘录[14]。2014年IESNA推出了针对LED灯具可靠性测试的技术备忘录TM-28[15]，在参考了所用LED光源6000h以上的LM-80可靠性测量数据和基板焊点温度前提下，仍要求灯具至少测试3000h。同样，中国国家标准(CQC)也规定LED照明产品可靠性测试时间至少为6000h[16-18]。如此长的测试时间已经接近甚至超过了普通LED照明产品更新换代的周期，因此严重影响了LED企业新产品向市场推广的速度。

本文提出了一种针对LED照明产品光通量衰减失效的加速试验方法。该方法以e指数衰减模型和Arrhenius温度加速模型为理论基础，利用已有LM-80试验数据计算模型参数并建立光通量衰减临界曲线，之后通过温度加速将LED照明产品的可靠性测试时间从6000h缩短为2000h(其中包括500h的预处理时间)。此外，使用该方法评估LED照明产品光通量衰减时，不需要提供光源的LM-80测试数据和基板焊点温度等信息。

1　理论模型

在本节中，首先定义用于评价LED照明产品光通量衰减的临界曲线，再利用二阶段模型建立室温环境温度(即25℃)下和加速试验环境温度下LED照明产品光通量衰减临界曲线之间的关系。

1.1光通量衰减临界曲线定义

绝大多数LED照明产品在其工作时间内会产生一定程度的光学性能衰减现象。假设存在一条表征LED照明产品性能衰减的光通量衰减临界曲线，如图1所示。当被测LED照明产品的光通量衰减曲线落于光通量衰减临界曲线下方时，则认为该样品的光学性能未达到该条件下的可靠性评估要求，反之则满足要求[19]。

图1　LED照明产品的光通量衰减临界曲线Fig.1　Illustration of the boundary curve

IESNA TM-21工作组系统地总结了LED照明产品所使用光源的光通量衰减数学模型，包括线性、e指数、对数等9种。其中，简单e指数模型见公式(1)，对实测光通量数据的拟合度最高[14]。

Φ(t)=βe-αt

(1)

其中，Ф(t)为归一化的光通量维持率；α为光通量维持率的衰减因子；β为拟合常数，理论上等于1.0。广义来说，公式(1)不仅可以用来描述光源的光衰，也可以推广至LED照明产品[15]。在室温环境温度下, LED照明产品通常需要满足流明维持寿命L70(即燃点后LED照明产品光通量维持率降至初始值70%所需要的时间)大于25000h的设计要求。以此由公式(1)可推算燃点6000h后的光通维持率为91.8%[12]。

理论上，每一个环境温度下都对应存在一条光通量衰减临界曲线，如公式(1)所示。其中衰减因子随温度的变化符合Arrhenius方程[15-21]，如公式(2)所示。

(2)

其中Ea为激活能，A为指前因子；k为玻尔兹曼常数；Ts为基板的焊点温度。根据公式(2)，α和Ts具有相同的变化趋势，即Ts越高，光源的光通量维持率随e指数衰减的速率也越大。因此，提高焊点温度，可以加速光源的光通量衰减，从而缩短测试时间。联合公式(1)和(2)可以计算出相应的加速因子AF。

(3)

其中Ts1与Ts2、α1与α2以及t1与t2分别为室温环境温度下和加速试验环境温度下的焊点温度、LED光源的衰减因子和测试时间。

1.2二阶段模型

本节通过计算加速衰减试验温度下的光通量衰减临界曲线，获得加速试验方法需要的负载时间，具体的过程分为两个互相独立的阶段。如图3所示，先按e指数方程计算到达光通量维持率阈值(如95%)所需的时间，然后进行温度加速(即①→②路径)。或者先进行温度加速再按e指数方程缩短测试时间(即③→④路径)。这两种过程得到的最终加速试验时间相同。

本文以①→②路径计算加速测试所需时间。由于LED照明产品寿命较长，在完整的L70寿命范围内对LED照明产品进行光通量衰减试验是不切实际的。例如，对于额定寿命L70为25000h的LED照明产品，美国“能源之星”采用的方法是将测试时间减少至6000h，并要求6000h测试的LED照明产品的光通量维持率不低于91.8%[22]。随着光通量测试技术的发展，测试精度不断增加，可以通过提高光通量维持率临界值来缩减测试时间。因此，本文将光通量维持率临界值由91.8%提高至95%，根据e指数衰减模型(即公式(1))推算测试时间由6000h缩减至约3594h。

图2　基于二阶段模型的加速试验方法示意图Fig.2　Illustration of the two-stage process

1.3模型参数确定

1.3.1Ts1和Ts2的选取

本文分析了来自公开文献中统计的30组输入电流介于0.08A～1A的LED光源样本的LM-80测试数据[23-27]。在这30组LM-80测试数据中，有24组数据的最高Ts温度不超过105℃。由此推断常温条件下LED照明产品光源的Ts温度一般不应超过105℃。因此，我们将光通量衰减临界曲线的Ts1参数选为105℃。

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图3为Ts=105℃时的LED光源光通量测试数据，红色实线为该温度下本文定义的光通量衰减临界曲线。从图中可知，光通量衰减临界曲线覆盖了大多数LED照明产品光源的光通量衰减测试数据。由此可见，假设实际工作的焊点温度为105℃时，大多数LED照明产品光源可以满足6000h内光通量维持率不低于91.8%的规定。因此，图3也确定了Ts1=105℃选取的合理性。

图3　Ts=105℃时LED照明产品光源的光通量测试数据Fig.3　Luminous flux measures of LED packages operated at the Ts of 105℃

为了避免在加速环境下引起新的失效模式，本文选定55℃(高于室温30℃)作为LED照明产品的加速试验环境温度。假设LED照明产品光源模组的焊点温度与环境温度的差值不变，可以推算出55℃加速环境温度下的焊点Ts2温度为135℃(Ts1+30℃)。

1.3.2Ea的选取

参照IESNA TM-21方法，将公式(3)改写为公式(4)，计算LED光源的激活能Ea。

(4)

其中，Ts1和Ts2为LM-80测试指定的测试温度，α1和α2为对应的衰减因子。由公式(4)可见，Ea决定了LED光源的光通量衰减对温度的敏感程度。随着温度的升高，具有较大Ea的光源其光通量衰减显著变大。

本文利用Ts为55℃和85℃时的测试数据计算出了整体LM-80测试数据样本的Ea参数，并采用最小二乘法对其进行正态分布拟合。拟合结果如图4所示，本文选取临界曲线的Ea参数参照图4中所有样品的Ea参数上限。由此，取正态分布拟合曲线的0.95分位数为临界光源的Ea参数，即0.396eV。

图4　由LM-80测试报告拟合出的光源样品的Ea分布Fig.4　Distribution of the Ea parameters

1.4加速试验时间的计算

首先，将1.3小节中得到的光通量衰减临界曲线的参数代入公式(3)，计算得到55℃下临界光通量衰减曲线的加速因子AF约为2.44。由此推算测试时间可由3594h缩减至1471h。为了方便检测人员累积负载时间，本文得到的测试时间取整为1500h作为加速衰减试验的负载时间。

通常被测样品在进行加速衰减试验之前需要经过一定时间的预处理达到性能稳定。目前常用的预处理方法是在室温环境温度下燃点1000h。由临界光通量衰减曲线的加速因子可以推算出在规定加速温度(即55℃)下的预处理时间约为410h。为了完整地进行对被测样品的预处理，本文将在规定加速温度下的预处理时间增加至500h。

最后，考虑到光通量测量值的波动性，本文还规定测量时间分别达到负载时间60%和80%时(即900h和1200h)测量LED照明产品的光通量。因此，如表1所示，本文规定只有当样品在所有3个时间点测量的光通量维持率均超过95%时方可继续试验，否则判定该样品为未达到合格判定样品。

表1　加速测试时间计算和评判标准

注：样品在经过了500h预处理之后从零开始计算测试时间。

2　实验验证结果及讨论

2.1LED光源模拟实验验证

图5　LED光源模组模拟验证结果Fig.5　Simulated validation results of LED modules

2.2LED灯具产品的实验验证

2.2.1CALiPER测试

自2013年起，美国能源部发起的CALiPER项目包含了对15款LED照明产品(A Lamps)进行的45℃环境温度下的加速测试[28-29]。每款产品测试10个样品，每个样品不间断老化7660h。样品在老化过程中，每周采用特殊的测量设备原位测量一次光通量维持率。所有被测LED照明产品均具有25000h以上的声称寿命。本节文分别采用“能源之星”性能规范和本文提出的加速试验方法对以上产品的光通量衰减性能进行评价。

在采用加速试验方法进行评价时，由于测试的环境温度为45℃，我们需要重新计算加速试验所需的测试时间。根据上述讨论，45℃环境温度下对应的Ts2=125℃，因此由公式(3)可以得知该环境温度下的加速因子AF约为1.8，并可进一步计算出测试时间约为2000h。同时，参考本文提出的加速试验方法，我们首先将被测产品的前500h视为预处理时间，并采用500h的测试数据初始化光通量维持率。之后通过比较1200h、1600h和2000h的光通量维持率与95%临界值进行对比，来评价被测产品的光通量衰减性能。

图6中(a)和(b)分别表示用“能源之星”性能规范和加速衰减试验方法评估被测样品的光通量衰减性能。其中黑色实线则代表了光通量维持率临界值。根据“能源之星”性能规范要求，被测产品通过合格判定的要求为6000h老化后光通量维持率大于91.8%。由图6(a)所示，被测产品中13RT-03、13RT-09、13RT-11、13RT-13、13RT-14和13RT-58未通过合格判定。同样地，根据本文提出的加速衰减试验方法规定被测产品通过合格判定的要求为1200h、1600h和2000h老化后的光通量维持率全部大于95%。由图6(b)所示，被测产品中13RT-03、13RT-09、13RT-11、13RT-13和13RT-58未通过合格判定。

综上所述，除13RT-14外，本文提出的加速试验方法对以上被测LED照明产品的评价结果和“能源之星”性能规范得到的评价结果是一致的。通过对被测产品13RT-14进一步研究，本文发现6000h老化后该产品各样品的光通量维持率测量值较为分散。受少数测量值偏差的影响，该产品的光通量维持率平均值偏小，因此未通过能源之星性能规范的合格判定。可以预见，适当增加该产品的样本量有可能使该样品6000h老化后的光通量维持率测量平均值大于91.8%，从而通过“能源之星”性能规范的合格判定。

图6　CALiPER项目中LED照明产品的测试结果Fig.6　Luminous flux maintenances of the LED A Lamps in CALiPER

2.2.2LED照明产品测试

为了验证所提模型的准确性，本文还选择了6款具有代表性的LED射灯、球泡灯和筒灯进行灯具级别的验证测试。图7(a)为被测LED照明产品在25℃环境温度下老化6000h后的光通量维持率测量平均值。而图7(b)显示了同样的LED照明产品在55℃环境温度下经过了500h预处理后，分别在900h、1200h和1500h时的光通量维持率测量平均值。其中黑色实线代表光通量维持率临界值。

由图7(a)可知，产品2和3在6000h试验后的光通量维持率均小于91.8%，同时如图7(b)显示，在加速环境下产品2和 3在1200h试验后其光通量维持率已经明显小于95%。由此可见，对于以上6款被测LED照明产品来说，由本文提出的加速衰减试验方法得到的评估结果和“能源之星”性能规范的评判结果是一致的。

图7　LED照明产品的光通量维持率测试结果对比Fig.7　Luminous flux maintenances of the indoor LED luminaires

3　结论

本文提出了一种55℃环境温度下的加速光通量衰减加速试验方法用以评估LED照明产品的可靠性。该方法以e指数衰减模型和Arrhenius温度加速模型为理论基础，通过采用55℃环境温度下的光通量衰减临界曲线评估LED照明产品光通量衰减的可靠性。与常用的美国“能源之星”评估标准相比，该方法将LED行业规定的6000h测量时间缩短为2000h(其中包括500h预处理时间)。由美国能源部CALiPER项目报告中的测试数据以及6款具有代表性的LED室内灯具的测试数据可知，本文提出的加速试验方法和美国“能源之星”给出的评估结果基本一致。此外，本文提出的加速试验方法在使用过程中不需要使用LED光源的LM-80测试数据和基板焊点温度，可以为LED生产者提供一种快速、简易、有效的可靠性评估标准。

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Accelerated Luminous Flux Depreciation Test and Reliability Assessment for LED Lighting Products

QIAN Cheng1,2，FAN Jiajie2,3， FAN Xuejun2,4， YUAN Changan2，ZHANG Guoqi1,2,5

(1.StateKeyLaboratoryofSolidStateLighting,InstituteofSemiconductorsChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China;2.ChangzhouInstituteofTechnologyResearchforSolidStateLighting,Changzhou213161,China; 3.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Changzhou213022,China; 4.DepartmentofMechanicalEngineering,LamarUniversity,Beaumont,USA; 5.DelftUniversityofTechnology,EEMCSFaculty,Delft,theNetherlands)

By current reliability testing methods, the claim of such long lifetime operation requires an expensive and long period qualification test which restricts the development of LED industries. In this paper, based on an exponential-form degradation model with Arrhenius acceleration assumption, we develop an accelerated luminous flux depreciation test method. This proposed method reduces the test time from 6000 hours to 2000 hours, without the assistance of LM-80 test report of the LED sources nor the solder temperature. A number of numerical simulation and validation experiments on various LED lighting products show that the qualification results obtained by the proposed method agree well with those given by the Energy Star requirements.

LED lighting products; luminous flux depreciation; accelerated test; reliability assessment

项目资助：中国博士后科学基金面上资助项目(2015M570133)、常州市科技计划项目应用基础研究计划(CJ20159053)，国家国际合作专项项目(2015DFG52110)

TB114.3

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.010