LED照明產(chǎn)品壽命測試評價方法研究進(jìn)展

張 偉 華樹明 鞏馬理 劉 倩

(1.北京一輕控股有限責(zé)任公司博士后工作站，北京 100022;2.國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 (北京)，北京 100022;3.清華大學(xué)激光與光子技術(shù)研究室，北京 100084)

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(lán)光LED芯片的發(fā)明和LED照明技術(shù)的提高，LED逐步進(jìn)入普通照明領(lǐng)域，其技術(shù)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(lǐng)域，受LED照明產(chǎn)品價格因素的影響，綜合考慮市場應(yīng)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(guān)注，也成為近來討論和研究的熱點(diǎn)。

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(shí)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(jìn)產(chǎn)品技術(shù)水平的提升;(2)LED照明產(chǎn)品全面性能評價的實(shí)施，將對政府的相關(guān)決策和引導(dǎo)提供強(qiáng)有力的保障，從政府引導(dǎo)的角度，推動LED照明行業(yè)的發(fā)展;(3)這項(xiàng)工作將進(jìn)一步增強(qiáng)市場的規(guī)范發(fā)展，從消費(fèi)者認(rèn)知和應(yīng)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(lǐng)域內(nèi)對LED的壽命評估也愈加關(guān)注，本文在分析國際領(lǐng)域內(nèi)LED壽命評估方法的基礎(chǔ)上，對LED照明產(chǎn)品壽命評價方法與實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件間的對應(yīng)關(guān)系做了初步研究。

2 LED照明產(chǎn)品壽命及相關(guān)研究現(xiàn)狀

2.1 LED照明產(chǎn)品的壽命

根據(jù)照明術(shù)語國家標(biāo)準(zhǔn)［1］的規(guī)定，(燈的)壽命是指燈工作到失效時，或根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定認(rèn)為其已失效時的總時間。根據(jù)這一術(shù)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(guān)規(guī)定和判斷?；诖耍▏H照明標(biāo)準(zhǔn)、美國照明技術(shù)規(guī)范、中國相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范等均對LED照明產(chǎn)品的壽命及相對應(yīng)的失效判定做了相關(guān)的考慮和說明。

國際電工委員會 (International Electrotechnical Commission，IEC)正在展開針對原 IEC/TS 62504 LED Terms and Definitions技術(shù)文件的修訂換版工作，修訂后標(biāo)準(zhǔn)將對LED照明相關(guān)各項(xiàng)IEC標(biāo)準(zhǔn)所涉及術(shù)語定義做協(xié)調(diào)統(tǒng)一，因此，改版后的IEC62504標(biāo)準(zhǔn)將與原TS版文件有較大不同。IEC62504標(biāo)準(zhǔn)［2］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(diǎn)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(yīng)用場所不同，通常設(shè)定為70%或50%)的累積燃點(diǎn)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(biāo)的重要關(guān)注因素。此外，從LED照明產(chǎn)品特性和應(yīng)用場所的考慮出發(fā)，產(chǎn)品的壽命評價指標(biāo)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［3］，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(guān)國家或地區(qū)在LED照明產(chǎn)品壽命相關(guān)指標(biāo)上的考慮。

針對LED照明產(chǎn)品壽命相關(guān)指標(biāo)的考慮，表1中標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)文件分別從產(chǎn)品的光通維持率LM、顏色坐標(biāo)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(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)文件中關(guān)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(jìn)行指標(biāo)規(guī)定，目前尚無經(jīng)驗(yàn)證的切實(shí)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(rèn)證［8～11］，在產(chǎn)品光通維持率等測試項(xiàng)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［12］標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于LED光通維持率的推算方法

美國于2011年發(fā)布了 IES TM21《Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources》標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于LED封裝、LED陣列、外接驅(qū)動控制的LED模塊。該標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)，計算各時間點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)為擬合曲線原始數(shù)據(jù);

④根據(jù)曲線擬合結(jié)果計算α和β值，在此基礎(chǔ)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)。

表1 國際上LED照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或文件關(guān)于壽命相關(guān)指標(biāo)的規(guī)定Table 1 Lifetime related performance index regulation in the standards or technical specifications

圖1 IES TM21關(guān)于LED光通維持率推測示例*＊引用IES TM21圖A1和A2Fig.1 Example of lumen maintenance projecting in IES TM21

2.2.2 基于邊界函數(shù)的LED壽命推算方法

基于IES TM21關(guān)于LED壽命推算方法在IEC標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)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(yīng)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(yīng)不低于6000h;

②以0h光通量為基準(zhǔn)，計算各時間點(diǎn)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(yīng)L70壽命值。

圖2 基于邊界函數(shù)的LED封裝體壽命推算示例Fig.2 Example of LED lifetime prediction based on border function

2.2.3 IEC關(guān)于LED壽命測試提案

IEC國際標(biāo)準(zhǔn)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［13］，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(jìn)行樣品光通維持率燃點(diǎn)測試;

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

圖3 基于溫度加速對比的LED光通維持率推算圖例Fig.3 Example of LED lifetime prediction based on temperature acceleration

③將每種溫度下的光通維持率測試點(diǎn)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(diǎn)相連;

⑤以上述連接點(diǎn)對應(yīng)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(fù)④⑤的操作，且各點(diǎn)間的時間間隔不應(yīng)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(diǎn)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(guān)重要因素如表2所示。

表2 三種LED壽命推算方法重要因素Table 2 Characteristics of the three kinds of LED lifetime projecting(prediction)method

3.1 IES TM21關(guān)于LED壽命推算方法

IES TM21的LED壽命推算方法基于IES LM80關(guān)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(jìn)行光通維持率擬合的曲線圖。

圖4 基于IES LM80光通維持率測試數(shù)據(jù)的IES TM21擬合結(jié)果Fig.4 IES TM21 LED lifetime projecting based on IES LM80 test results

根據(jù)曲線擬合結(jié)果，三種燃點(diǎn)環(huán)境溫度下LED壽命指標(biāo)排序?yàn)椋?5℃下LED壽命＞105℃下LED壽命＞55℃下LED壽命，這與實(shí)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(jìn)一步研究確認(rèn)。

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(jié)果與邊界函數(shù)上對應(yīng)時刻點(diǎn)維持率數(shù)值高低來確認(rèn)LED的最低壽命指標(biāo)。采集LED產(chǎn)品進(jìn)行6000h光通維持率測試，并根據(jù)指數(shù)衰減邊界函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種LED產(chǎn)品光通維持率曲線與邊界函數(shù)對比圖Fig.5 Comparison between border function and lumen maintenance test results of three LED product samples

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(yīng)力，同時，低溫下的測試時間不應(yīng)低于6000h。基于該壽命推算方法，開展試驗(yàn)條件與LED照明產(chǎn)品壽命參數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)研究。3.3.1 試驗(yàn)方案

壽命燃點(diǎn)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(biāo)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(yàn)方法以整體LED照明產(chǎn)品為研究對象，因此試驗(yàn)條件的設(shè)定考慮針對整體產(chǎn)品的實(shí)際測試操作可行性。

本階段以燃點(diǎn)環(huán)境溫度為試驗(yàn)應(yīng)力，設(shè)定不同溫度水平，在控溫環(huán)境溫度 (±2℃)下對燈進(jìn)行燃點(diǎn)試驗(yàn)，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(diǎn)過程中各溫度水平下LED照明產(chǎn)品壽命參數(shù)指標(biāo)的變化情況。溫度水平的設(shè)定和試驗(yàn)過程中樣品狀態(tài)的分析確認(rèn)是試驗(yàn)的重要考慮因素。

首先采集試驗(yàn)樣品，監(jiān)測不同燃點(diǎn)環(huán)境溫度下燈零部件的溫度，以確定溫度應(yīng)力試驗(yàn)的極限水平，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同燃點(diǎn)環(huán)境溫度下燈內(nèi)各零部件的溫度監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Temperature monitoring results of the LED lamp components under different ambient temperature

結(jié)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(jié)果進(jìn)行分析，確定溫度應(yīng)力試驗(yàn)的水平上限，進(jìn)而設(shè)定各燃點(diǎn)環(huán)境溫度水平。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

圖7 不同環(huán)境溫度下LED產(chǎn)品燃點(diǎn)測試結(jié)果對比Fig.7 Lumen maintenance test results of the LED product under different ambient temperature environment

圖7中偏下測試曲線為高環(huán)境溫度水平下的燃點(diǎn)測試試驗(yàn)結(jié)果，偏上曲線為常態(tài)壽命燃點(diǎn)試驗(yàn)溫度下的對比測試結(jié)果?？梢?，產(chǎn)品的光通維持率在高燃點(diǎn)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(dá)到58.2%，這表明以環(huán)境溫度為加速測試因素的試驗(yàn)方法存在一定的可行性。為進(jìn)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(yàn)后樣品做拆解分析，測試各部件在燃點(diǎn)過程中所導(dǎo)致的光通量衰減，試驗(yàn)結(jié)果表明，燃點(diǎn)過程中由LED封裝體所導(dǎo)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(yīng)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(biāo)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(jié)論

在現(xiàn)有LED相關(guān)壽命測試方法對比研究的基礎(chǔ)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(diǎn)環(huán)境溫度為加速應(yīng)力的試驗(yàn)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(diǎn)環(huán)境溫度可作為有效的LED照明產(chǎn)品壽命加速應(yīng)力做深入研究。

現(xiàn)階段試驗(yàn)僅考慮單一應(yīng)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(yàn)應(yīng)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(jìn)一步細(xì)化研究。

［1］GB/T 2900.65－2004電工術(shù)語照明.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn):2004.845－07－61.

［2］IEC 62504:General lighting-Light emitting diode(LED)products and related equipment-Termsand definitions(Draft).國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)草案:2012.

［3］張偉徐海涵華樹明.LED射燈光色參數(shù)穩(wěn)定性研究.固態(tài)照明，2011，3(9):PP39～42.

［4］ IEC 62612 Self-ballasted LED lamps for general lighting serviceswithsupplyvoltages＞50V-Performance requirements［Draft］.國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)草案:2012.

［5］ ENERGY STAR Program Requirements for Integral LED Lamps.美國能源之星項(xiàng)目要求.

［6］EUROPEAN LED QUALITY CHARTER.歐盟質(zhì)量憲章.

［7］GB/T xxxxx－201x反射型自鎮(zhèn)流LED燈性能要求 ［報批稿］.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).

［8］CQC3127－2010 LED道路/隧道照明產(chǎn)品節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范.中國質(zhì)量認(rèn)證中心半導(dǎo)體照明產(chǎn)品節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范.

［9］CQC3128－2010 LED筒燈節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范.中國質(zhì)量認(rèn)證中心半導(dǎo)體照明產(chǎn)品節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范.

［10］CQC3129－2010反射型自鎮(zhèn)流LED燈節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范.中國質(zhì)量認(rèn)證中心半導(dǎo)體照明產(chǎn)品節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范.

［11］CQC3130－2011普通照明用非定向自鎮(zhèn)流LED燈節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范.中國質(zhì)量認(rèn)證中心半導(dǎo)體照明產(chǎn)品節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范.

［12］ IEC/PAS 6xxxx－LED Testing and prediction of lumen maintenance.國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)提案.