室外LED灯具可靠性评价方法研究

王 伟

(必维欧亚电气技术咨询服务(上海)有限公司，上海 201612)

室外LED灯具可靠性评价方法研究

王 伟

(必维欧亚电气技术咨询服务(上海)有限公司，上海 201612)

本文介绍了室外LED灯具的可靠性试验项目，分析了MTTF与样品数量、置信水平和试验时间之间的关系，有助于对室外LED灯具的声称寿命进行预先判断；另外还研究了LED灯具系统可靠度与置信水平、样品数量之间的关系，通过选择合适的加速寿命试验项目和样品数量，可以比较方便的预测出LED灯具的系统可靠度水平。本文的研究结果可以为准确评价室外LED灯具的可靠性提供一定的技术支撑，而且为其寿命预测做出贡献。

LED灯具；可靠性；寿命；置信水平

引言

近年来，随着LED技术的飞速发展，LED照明产品以其高效、节能、稳定和越来越低的价格逐步获得了市场的认可，开始在照明领域大行其道。然而，日益激烈的同质化市场竞争引发的价格战也对产品的质量造成了良莠不齐的状况。如果在流通市场中大量出现劣质的产品，不仅会损害消费者的利益，而且会让LED照明产品经不住市场的考验，质量的参差不齐也会影响到LED产业的持续发展。

LED照明产品宣称有非常优异的可靠性，但是如何评价其可靠性一直是困扰LED照明企业的一大难点。当前对LED可靠性研究较多的主要集中在芯片层面，主要是分析LED芯片的失效机理，对LED芯片、封装器件及模组进行可靠性的研究[1-2]。作为半导体照明的主流终端产品，LED灯具主要包括：LED芯片或模组、电子组件、光学材料、散热结构和结构材料等[3]。每个部分的可靠性都需要考虑到，不能仅仅用LED芯片的可靠性来替代LED灯具的整体可靠性。

以室外LED灯具为例，由于在室外工作，需要经历高低温、潮湿、盐雾等恶劣环境，所以要对室外LED灯具的可靠性进行评价，就需要对LED灯具建立适当的可靠性试验项目，利用科学合理的方法进行验证。本文在给出LED灯具可靠性试验的基础上，计算了一些试验项目的加速因子，从而可以得出室外LED灯具的平均失效时间(MTTF)，最后引入可靠度的指标辅助MTTF来对LED灯具可靠性进行评价。

1 室外LED灯具的可靠性试验

对于一般场合使用的LED灯具，应满足温度循环试验、电源开关试验和加速工作寿命试验的要求[4]。但是对于室外LED灯具，结合其具体的实际使用情况，本文给出了用于评价室外LED灯具可靠性的相应试验项目，分别包括温度循环试验、温度冲击试验、恒定湿热试验、高温储存试验、低温启动试验、开关试验、振动试验、盐雾试验和高温操作试验。在这9个可靠性试验项目中，有3个可靠性试验可以施加加速效果，分别为温度循环试验、恒定湿热试验和高温操作试验，其余的试验项目的加速因子均为1。

1.1 加速状态下的温度循环试验

由于考虑到极寒地区(如东北地区)室外的情况，加速状态下的温度循环试验将低温可以设置到-40℃，试验温度范围为-40℃～50℃，每个循环4 h，循环次数为250次(1000 h)。1个循环周期包括在每个极端温度下各保持1 h和温度极限之间的1 h转换时间，升降温速率为1K/min，接通和断开灯具的时间均为17min[5]。其中温度变化的加速因子由Coffin-Mason公式计算[3]：

(1)

其中，ΔTstress为加速试验下的温度变化，ΔTnormal为正常应力下的温度变化，n为温度变化的系数，与缺陷机制和材料相关。对于无铅焊点，这个加速系数取1.9～2.0，这里n取为2。正常状态下的温度循环试验的温度范围为-10℃～40℃，加速因子为AF=(90/50)2=3.24。如果企业提供使用的温度范围超过试验温度差，即不存在加速，应用企业提供的温度范围。

1.2 恒定湿热试验

对于在湿热环境(如广东地区)下使用的室外LED灯具，应满足恒定湿热试验的要求。室外LED灯具的环境试验温度为(40±2)℃，相对湿度为(93±2)%，在额定工作条件下进行试验。一个循环的开关间隔时间为2 h开，2.5 h关，循环次数80次(360 h)。恒定湿热的加速因子由Hallberg-Peck方程计算得出：

(2)

其中，EA是缺陷机制的激活能，k为玻尔兹曼参数(8.6174×10-5eV/K)，RHs是应力测试环境下的相对湿度，RHo是正常工作环境下的相对湿度，TS是应力环境温度，TO是正常工作环境温度。

根据市场常见LED产品的LM-80数据，一般的LED照明产品的激活能经常采用的数值是0.45eV，以覆盖大部分的优良产品。室外灯具正常工作环境下的相对湿度一般为60%，这里应力环境温度为40℃，正常工作环境温度为25℃。所以根据公式(2)，与湿度相关的加速因子为3.72，总的加速因子为8.62。

1.3 高温操作试验

高温操作试验应在试验箱内进行，试验温度至少比推荐工作温度高10℃，室外灯具不低于50℃，试验时间为360 h，试验时灯具接通电源，保持工作。加速因子由Arrhenius化学动力学公式决定，如公式(3)所示：

(3)

该公式常常用来描述物理化学的反应速率，也是表达半导体失效机理热加速的近似模型。式中，EA是热激活能，To是企业推荐的最高工作温度，Tj是试验温度。一般的LED激活能经常采用0.45eV，对于室外灯具，企业一般宣称的最高工作温度范围为30℃～45℃，这里以40℃为例，在试验温度比推荐温度高20℃下的加速因子为2.72。

1.4 其他可靠性试验

对于温度冲击试验，按照灯具的热容量，温浸时间可选择3 h、2 h、1 h、30 min或10 min。如果按照2 h，一个循环需要4 h，室外灯具需要20个循环，故试验时间为80 h。对于高温储存试验，试验温度为65℃或者产品的最高储存温度，保温时间为360 h。对于低温启动试验，试验温度为产品规定的最低使用温度，持续时间为100 h。开关次数300次，20 min开关1次，1 min开，19 min关。对于开关试验，假设企业对室外LED灯具产品的额定寿命声称为50 000 h，开关试验以30 s开，30 s关为一个循环，循环次数为灯具额定寿命的一半。振动试验可参照GB/T 2423.10[6]进行。对于盐雾试验，在海边或海船上使用的灯具和有耐盐雾要求的隧道用照明灯具应进行盐雾试验，灯具的盐雾试验环境能力按照GB/T 2423.17[7]进行，试验的持续时间为48 h。

2 室外LED灯具的MTTF

对于LED灯具而言，在工作状态下的失效通常分为突发性失效(灾难性失效)和渐进性失效(光衰)。从过往的经验来看，突发性失效一般是由于驱动电源的失效、不合格的灯珠和灯具安全问题引起的LED灯具突然不能正常工作，这里我们关注LED灯具的渐进性失效。在经过上述的LED灯具可靠性试验之后，对室外LED灯具可靠性的评价非常重要。

LED灯具的可靠性信息中，MTTF(平均失效时间)能够有效的表征LED灯具正常工作的失效时间情况，从而可以作为一个考量LED灯具可靠性的指标。根据IEC/TS 62861—2015[3]中对LED系统可靠性的预测，呈指数分布的MTTF是用Chi-square(卡方)分布来发现置信水平(confidence level)的。在形状参数已经知道的情况下，卡方分布也可以用于Weibull分布。MTTF是总试验时间与失效次数的比值，如果试验过程中没有失效发生，正如LED灯具正常工作中的寿命，基于置信水平，MTTF可以表达成公式(4)

(4)

如果LED灯具需要进行多个试验项目，在无失效的情况下，公式(4)中的分子可以表示为

(5)

如果试验项目中有加速试验，全部试验时间的计算中要加入加速因子。

对于室外LED灯具，可靠性等效试验时间如表1所示。如果一批室外LED灯具按照最低样品数量完成了所有的试验项目，那么等效试验时间总共为32 292.7h，按80%的置信水平，根据公式(4)计算平均失效时间MTTF约为20 000 h。这里是按照最严苛的要求对室外LED灯具进行了多个可靠性试验项目，而在实际情况中，需要根据具体使用情况的要求选择适当的可靠性试验项目即可。

表1 室外LED灯具可靠性等效试验时间

而在实际的可靠性试验情况中，按照最低样品数进行试验得出的结果是不够充分的，所以为了增加试验的可信程度，将试验样品数都调整为10个，根据表1计算得出的等效试验时间总共为83 269 h。图1给出了在不同样品数量的情况下，MTTF与置信水平之间的关系，从图中可以看出MTTF是随着置信水平的提高逐步降低的。对于样品数都为10个的情况下，80%置信水平时的MTTF为51 720 h，非常接近室外LED灯具的声称寿命50 000h，95%置信水平时的MTTF也超过27 000h，比较接近实践中室外LED灯具的工作状态。

图1 平均失效时间(MTTF)与置信水平之间的关系Fig.1 Relationship between MTTF and confidence level

3 室外LED灯具的可靠度

室外LED灯具系统是由很多的元件组成的，主要包括LED封装器件或模组、电子组件、光学材料、水冷系统和结构材料等。为了使得LED灯具系统达到所需的性能和可靠性，每个元件不仅要独自正常工作，而且相互之间的作用都直接或间接的影响着整个系统的可靠性。从系统可靠性的角度来看，要掌握每个元件的可靠性细节上非常有挑战性的。

在系统可靠性中需要用到系统的可靠性模型，而实际情况中至少要选择几种可能的模型进行组合后分析可靠性，所用模型要描述系统实际工作的主要特性，但是可以不用反应所有的细节。这里主要参数LED照明产品的系统可靠性预测技术，其中可靠性结构简图可以作为一种表示逻辑系统架构的方式建立系统可靠性模型。逻辑结构可以说串行的、也可以说并行的，或者是两者合并的架构。在串行结构中，对于n个独立的组成部分，系统的可靠性用公式(6)表示

(6)

在并行结构中，系统的可靠性用公式(7)表示

(7)

比较公式(6)和公式(7)可以发现，原理上并行结构的可靠性比串行结构的可靠性更高。

对于上述的室外LED灯具加速寿命试验，假设是指数分布，单个试验项目的可靠度水平可以简单地用公式(8)表示为

(8)

其中R为可靠度水平，CL为置信水平，N为样品数量。

从表1的可靠性试验项目来看，只有温度循环试验、恒定湿热试验和高温操作试验是加速试验。要评价室外LED灯具进行加速寿命试验的可靠性，将这三个加速寿命试验项目结合起来施加到室外LED灯具可靠性试验上。由于三个加速寿命试验项目是并行结构，所以计算总的可靠度的时候需要结合公式(7)和公式(8)。如图2所示，分别取最低样品数要求和样品数都为10个的情况，随着置信水平的提高，总体的可靠度水平在逐渐降低，最低的系统可靠度为63%。当样品数量为最低要求时，90%置信水平下系统的可靠度为89.4%；当样品数为10个时，90%置信水平下的系统可靠度为99.1%。

图2 不同样品数量的可靠度水平与置信水平之间的关系Fig.2 The dependence of the confidence level on reliability level for different sample sizes

LED灯具产品一般是由串行结构和并行结构组合而成的，实际的结构函数非常复杂。不仅有各个关键元部件的可靠性以及相互之间的作用影响，而且有不同试验方式带来的外部干扰和施加的组合影响。所以，不可避免的要使用专业软件确定系统的结构模型并且计算出LED灯具系统的可靠性。

4 总结与展望

本文通过展现室外LED灯具的可靠性试验和MTTF与样品数量、置信水平、试验项目和试验时间之间的关系，对室外LED灯具声称寿命的可靠程度可以有预先的分析判断；另外还研究了系统可靠度与置信水平、样品数量之间的关系，通过选择合适的加速寿命试验项目和样品数量，可以比较方便的预测出LED灯具的系统可靠度水平。

对于LED灯具系统的可靠性，目前还缺乏广泛认可的评价体系和方法。从可靠性和寿命的角度来看，一方面需要收集和评估LED芯片或模组的可靠性数据，可以采用IES LM-80[8]来对LED芯片或模组进行光通维持率试验，用TM-21[9]来推算其芯片或模组的光通维持率和寿命；另一方面需要更多的关于LED灯具的所用光学和结构材料、电子组件和驱动电源的可靠性数据进行支撑，从而可以来评价灯具整体的可靠性和进行寿命预测。

[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灯具可靠性试验方法(报批稿):GB/T XXXXX—201X.

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

[6] 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Fc：振动(正弦):GB/T 2423.10—2008[S].

[7] 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Ka：盐雾: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