LED室內照明產品的重大缺陷快速評估方法

蔣春旭 王 深 許少輝 徐華偉

(工業和信息化部電子第五研究所，廣東廣州 510610)

1 前言

目前，LED室內照明產品的光通維持率及壽命的評價方法，主要依據傳統照明產品如白熾燈、熒光燈、鹵素燈等的試驗方法，通過在室溫下進行常規老化及監測，來評測產品壽命。由于傳統照明光源產品的老化機理相對明確，如鎢絲或者燈絲的消耗，而且短時間內衰減的效果較為明顯，衰減趨勢也接近線性，所以可以在短時間內評測出產品壽命。

但LED不同，在室溫下進行常規老化，多數情況下，在初始2000h內，其光輸出仍處于上升曲線，而且在6000h時的光通維持率也并未下降的太明顯，一般維持在98%左右。同時，根據行業研究結果顯示，LED芯片或模組在5000h～10000h時間段內的光衰曲線與10000h～15000h時間段內的光衰曲線也表現得不一致，這就給通過常規老化進行壽命預估帶來了極大的困難。即通過常規老化進行LED的壽命預估，至少需要15000h左右才能得出相對準確試驗數據。

通過施加高溫應力，可以加快LED產品的老化速度，縮短LED壽命評估的時間?？紤]到LED產品的單失效機理特性，目前加速老化評測壽命的試驗方法針對的對象主要是LED芯片或者LED模組，不含其他電子元器件。然而，在殼溫為55℃和85℃下進行加速試驗，6000h條件下，LED的光衰減也并不明顯，多數情況下，光通維持率也只降低至93%左右，且55℃與85℃數據用于壽命評測時的數學關聯度也并不算是太可靠。

因此，通過研究重大缺陷快速評估方法，將LED產品視為整體系統，不評估其可靠性有多強，而是評估可靠性有多差。重大缺陷快速評估方法可以在較短時間 (1000h)內對LED產品進行質量可靠性進行評估和篩選，相對而言，更適合半導體照明行業的發展和需求。

2 LED照明產品的重大缺陷介紹

與人和動物一樣，LED照明產品的短壽命，最主要的原因在于其生有“大病”，即存在著“重大缺陷”。這些潛在的重大缺陷，雖然在LED照明產品投入使用初始階段，并不影響其正常工作，但持續一段時間后，缺陷被激發，繼而導致整燈失效。一般情況下，此類失效會在2～6個月內被激發。

LED照明產品存在的重大缺陷，總體上可以歸為兩類:

2.1 設計缺陷

這類缺陷的產生，最主要是由于設計不當，設計時預留的余量不足，無法支撐LED燈長時間工作。與壽命相關的設計缺陷，常見的包括控制裝置的輸出規格與光源模組的規格匹配、驅動IC的設計、元器件的選型、電路保護、散熱設計等。

2.2 制造缺陷

制造缺陷也稱工藝缺陷，源于在制造過程中的工藝缺陷造成，如焊點缺陷、IP防護性缺陷等。這些缺陷與設計無關，而是由于工人或者生產線在生產過程中疏忽造成。

正常情況下，設計缺陷和制造缺陷只能盡可能降低，而不能完全消除。設計缺陷和制造缺陷的存在，是LED照明產品早期失效率較高的根本原因。在電子產品行業中，描述產品失效率在壽命周期內變化規律的“浴盆曲線”，已得到普遍的認知。

電子產品從投入使用至壽命終了整個周期內，其可靠性的變化呈現一定的規律。以產品的失效率作為產品的可靠性特征值，以使用時間為橫坐標，以失效率為縱坐標，壽命期間內失效率隨使用時間的變化曲線類似于浴盆，故稱“浴盆曲線”，見圖1。

圖1 浴盆曲線Fig.1 Bathtub curve

浴盆曲線分為三個階段，分別為早期故障期，偶發故障期，耗損故障期。從圖1中可見，早期故障期內失效率較高，但隨著產品工作時間的增加，失效率迅速降低，這一階段的失效產生的原因，多數是源于設計、原材料或制造過程中的缺陷造成的。偶發故障期也稱隨機失效期，這階段內，產品失效率較低并且比較穩定，往往可以視為常數，產品計算MTBF及產品可靠度時使用的失效率，就采用這一階段的值。這階段內，產品性能穩定，偶發失效的原因主要是質量缺陷、材料弱點或者是環境及使用不當等因素所導致。而到了耗損故障期，產品的失效率隨時間急速增加，這主要是由于產品磨損、疲勞、老化及材料消耗等原因引起。

上述浴盆曲線的三個階段，適用于大多數領域，包括LED照明。從大量工程數據得到的信息，照明工程在亮燈前期，大概在2～6個月內，往往是LED燈失效率的高發期，在過了這段時間后，壞燈的情況則明顯下降。

相對于偶發故障期失效，早期故障期內的失效(以下稱早期失效)問題一般在短時間內暴露，且問題更容易發現，解決的代價也較低。對LED燈的重大缺陷進行總結和歸納，有利于發現引發早期失效的原因，規避設計的不合理以及消除制造工藝缺陷，盡可能降低產品的早期失效率，從而提高批次樣品的整體可靠性水平。

3 LED照明產品重大缺陷快速評估方法

3.1 重大缺陷快速評估方法的思路

重大缺陷快速評估試驗方法，是通過對大批量LED產品的失效數據調研，分析LED產品的使用環境條件及失效產生的原因而進行針對性設定。為了能在較短時間內激發LED燈存在的缺陷，須通過提高試驗應力，但試驗應力不應超過產品的工作極限。

試驗方法包括快速溫度循環 (或者溫度沖擊)、隨機振動、交變濕熱、早期可靠性保障等四部分。

大多數電子產品的元器件和材料，都是溫度敏感器件，溫度的變化，會引起熱脹冷縮。LED燈各部位、各類元件的熱脹冷縮系數不同，當溫度變化速率較快時，容易造成電氣連接部位的拉伸和開裂，產生潛在裂紋甚至電氣連接層脫離。上、下限溫度越嚴酷，溫變速率越快，則試驗效果越明顯。

在快速溫度變化 (或者溫度沖擊)試驗后，隨即進行隨機振動試驗，潛在的電氣連接缺陷得以進一步激發，對電源板上部分體積選擇不合理的元器件，甚至會破壞其脆弱的機械連接性，導致焊腳脫落或斷裂。對于一些不可靠的焊接方式，如虛焊、搭焊，通過試驗也可以激發其缺陷。

振動試驗后，施加交變濕熱試驗。前兩步試驗后，部分LED燈的內部元器件及電路板的焊腳可能已經產生微裂紋，但表面上顯示出其仍可正常工作。此時接著進行交變濕熱試驗，溫度和濕度交替變化，當溫度變化時，在燈體內產生一定的“呼吸效應”，加劇濕氣進入燈體內部，吸附在元器件和焊腳上，并沿著焊接裂紋蔓延，最終導致元器件短路并引發LED燈的失效。

前面三步試驗仍未出現失效的樣品，在制造工藝上已具備較好的水平，而設計上是否存在缺陷，則通過早期可靠性保障試驗考核。早期可靠性試驗條件主體為高溫高濕條件，試驗樣品同時施加開關通斷。這部分試驗的目的在于，從系統到器件層面，全面考量LED燈的耐久性能。高溫條件的設定，在不超過器件設計極限情況下，雖說不能使得各類元器件如電容器件、半導體器件有效的達到其額定壽命水平，但在加速應力試驗周期內，具有合格質量水平的元器件能維持正常工作，仍是可以保障的。

3.2 重大缺陷快速評估試驗方法

試驗方法包括快速溫度循環、隨機振動、交變濕熱、早期可靠性保障等試驗。

3.2.1 試驗樣品的選擇

試驗的樣品須具有批次特征，能代表母體的整體水平。如果試驗樣品經過老化并剔除早期失效，則試驗結果則沒有代表性。

用于可靠性試驗評定的樣品應從經過初步篩選步驟的至少一個批次的樣品中隨機抽取。評定試驗規定的LTPD值一般是10或20，對應的樣品數量是22或11。在LTPD值等于10時，如果在最初的22個樣品中發現一只不合格的燈具，第二次應抽取16只樣品進行試驗。如果在第二次抽取的樣品中沒有不合格的燈具，可以認為產品中的38個樣品有一只不合格，通過了LTPD為10%的標準。同樣，LTPD值為20時，如果在最初的11個樣品中發現一只不合格的燈具，第二次應抽取7只樣品進行試驗。如果發現另外的不合格的燈具，就符合LTPD為20%的標準。抽樣方案見表1。

表1 LTPD抽樣方案Table 1 LTPD sampling plan

3.2.2 試驗的失效判據

重大缺陷快速評估試驗的失效判據，包括以下類型:

a)LED整燈或若干光源出現不亮情況;

b)LED整燈光衰超過6%(該數值為LED芯片按照指數分布工作6000h時的光衰比例);

c)LED整燈出現閃爍現象;

d)LED光源出現熒光粉層脫落現象;

e)LED整燈或若干光源出現明顯色溫變化現象，即表觀發光顏色發生突變，如由“白光”變成“藍光”等;

由于試驗方案采用的是高應力加速試驗評價方法，對于試驗樣品中出現的塑料外殼或類似部件軟化變形等現象，一般是因為材料耐熱溫度低于試驗溫度造成，因此，這類現象建議不作為失效判定的依據。

3.2.3 試驗應力和條件的確定

(1)快速溫度循環試驗或者溫度沖擊試驗

快速溫變試驗或者溫度沖擊試驗的上限、下限溫度，應通過極限敏感應力試驗進行確定。通過高溫步進、低溫步進試驗，確定高低溫極限TU、TL，并以極限溫度的前一階溫度，作為快速溫度循環試驗或者溫度沖擊試驗高、低溫度的依據 (圖2)。

圖2 溫度步進試驗曲線Fig.2 Temperature step test curve

試驗時，樣品不帶電，試驗前后進行功能檢查。對于LED應用照明產品，考慮到內部常見的元器件類型和規格參數，建議的試驗條件為高溫為+85℃，低溫為－40℃，極限溫度下的保持時間，建議為1h或2h，循環次數為10次，溫度變化速率至少為10℃ /min(圖3)。

圖3 快速溫度變化試驗曲線Fig.3 Temperature shock test curve

(2)隨機振動試驗

隨機振動的試驗條件設置，應根據試驗目的和需求進行確定。

對于可靠性指標要求非常高，且時效性要求更高的試驗，條件應力的選擇要求需更加嚴酷。類似溫度步進試驗，振動試驗前，通過振動步進應力試驗，尋找工作極限，并在振動工作極限前一階應力作為振動條件的依據。

而對于可靠性指標要求一般高且旨在激發潛在缺陷的試驗，建議按照統一試驗條件進行隨機振動試驗 (圖4)。試驗條件如下:

1)工作條件:正常工作狀態

2)頻率范圍:5Hz～200Hz

3)加速度譜密度:0.01g2/Hz

4)加速度總均方根值:1.4 grms

5)試驗方向:X、Y、Z三方向 (暫不考慮實際產品可能的結構對稱性問題，即任何形式的產品，都必須經受三個互相垂直的方向進行試驗)。

6)試驗時間:每方向連續進行15min。

(3)交變濕熱試驗

圖4 隨機振動試驗曲線Fig.4 Random vibration test curve

交變濕熱試驗條件在設定前，應對試驗樣品在實際工作時可能處于的工作環境溫度和濕度進行調研，并在該環境條件基礎上，提高一定的試驗條件進行試驗，如溫度提高10℃，濕度提高20%R.H.。

在每個溫度循環的高溫階和低溫階時間，施加數次開關通斷操作。對于一般的LED室內照明產品，推薦的試驗條件為:

1)工作條件:正常工作狀態，每個循環在高溫高濕階段進行一次樣品供電通斷，斷電時間不低于3min，不高于6min。

2)上限溫度55℃，低溫子循環:－10℃。

3)循環次數:10次。

試驗剖面和試驗曲線如圖5所示:

(4)早期可靠性保障試驗

早期可靠性保障試驗的條件設置，可參照GJB 899A、GJB 450A標準，推薦采用“85℃/85%R.H.168h”試驗條件，試驗前，須將電路板上的溫度保護電路摘除或旁路，試驗過程中，試驗樣品分2組進行，一組施加開關通斷，一組持續工作。

如果采用的元器件額定耐熱參數較低，或者樣品工作時溫升太高，作為備選方案，可以選擇“70℃/85%R.H.264h”試驗條件。試驗條件不建議太低，較低的溫度，需要更長的時間才能有效激發出產品的缺陷。

圖5 交變濕熱試驗剖面和試驗曲線Fig.5 Alternating temperature humidity test section plane and test curve

在LED照明產品中，較多采用的溫度敏感器件包括電解電容，半導體器件等，這兩類器件的耐熱極限溫度一般為125℃和155℃。而在正常工作條件下，電解電容和半導體器件的溫升大體在20K和50K左右，即環境溫度85℃條件下，兩類器件殼體最高溫度約為105℃和135℃，距離極限溫度留有一定余量。

當然，部分元器件的極限溫度也確實較低，這是需要根據實際情況下調相應的試驗溫度。

4 重大缺陷快速評估方法激發的缺陷類型及其有效性

4.1 LED照明產品在實際使用時的失效模式類型調研情況

LED燈具失效的原因有多種，按照失效部位可以分為光源失效、電源失效兩種類型。根據調研情況，在實際應用中，LED燈的失效類型主要有以下幾種模式:

4.1.1 光源常見失效模式:

(1)芯片歐姆接觸的退化，最終導致觸點逐漸開裂甚至脫落;

(2)材料老化致散熱效果變差，LED結溫逐漸增高從而加速失效;

(3)焊接工藝較差致使焊點易脫落;

(4)靜電損傷;

(5)LED硫化;

(6)芯片封裝工藝差，易出現如金線斷裂、熒光粉脫落等失效;

(7)電擊穿。

4.1.2 電源常見失效模式:

(1)雷擊失效;

(2)電網波動致使電源整流部件加速老化失效;

(3)焊點脫落;

(4)元器件老化失效，如電解電容、整流橋、變壓器等;

(5)元器件引腳短路引起電路燒毀;

(6)電源與光源模組的匹配性差，致使電源工作時電源效率較低，出現電源內部溫升高，PFC電路易出現故障，MOS管易失效等情況。

4.2 重大缺陷快速評估方法激發的缺陷類型

按照重大缺陷快速評估試驗方法，對大批量LED燈的樣品進行試驗，試驗采用LPD 10%的試驗方案的“22只樣品/0失效”判據進行?？焖贉刈儭㈦S機振動、交變濕熱和早期可靠性保障試驗的條件采取上文中的推薦試驗條件進行。對試驗過程中的失效樣品進行拆解和分析，我們得出的失效類型總結如下:

(1)焊點脫落;

(2)元器件在潮濕試驗條件下引腳短路致使電路板燒毀;

(3)保險絲、變壓器、整流橋、電解電容、MOS管等元件失效;

(4)燈珠電擊穿;

(5)燈珠內部開路;

(6)材料變形等。

從兩部分內容的對比和分析可以看出，重大缺陷快速評估方法試驗條件下評價出的LED照明產品的失效模式類型，與常規工作條件下的失效模式，具有較高的吻合性，很多正常條件下出現的失效情況，通過重大缺陷快速評估試驗都可以激發和發現。當然，部分失效類型是無法通過這些試驗得到激發的，如LED的硫化，靜電擊穿、電網波動加速損傷等，但除此之外的其他失效類型，都能通過定向可靠性評價試驗在短時間內得以激發 (圖6～圖9)。

圖6 電容與功率三極管緊貼導致過熱 (設計缺陷)Fig.6 Capacitor clings to triode

圖7 潮氣進入導致貼片元件短路Fig.7 Short-circuit of SMD components due to humidity

圖8 焊點和連接性不可靠Fig.8 Unreliable of solder and wire connections

圖9 光源變色和閃爍 (輸出電壓圖)Fig.9 Light color Change and stroboflash

4.3 重大缺陷快速評估方法對LED室內燈的篩選比例

采用LPD 10%“22只樣品/0失效”的試驗方案，快速溫變、隨機振動、交變濕熱和早期可靠性保障試驗的條件采取上文中的推薦試驗條件，對4種LED室內照明產品類型的試驗結果進行統計，包括LED筒燈、LED射燈 (包含MR16和PAR燈)、LED燈管、LED球泡燈。根據統計結果，不合格率分析如表2所示。

以上試驗統計結果可以反應，對于未進行較高IP防護設計的LED照明產品，初級試驗中的各種試驗應力，都具有較為合理的篩選比例作用。對不同類型的產品，不合格率也有所不同，但LED室內產品的總體不合格率也在46.68%水平。

表2 LED室內照明燈具不合格率統計Table 2 Failure rate statistics of LED indoor lamps

4.4 重大缺陷快速評估試驗后未失效的樣品壽命表現

將通過上述試驗后未失效的樣品，隨機抽取部分樣品，在常溫條件下點亮持續工作和監測壽命，至今持續點亮時間已超過7000h，各類型LED燈的失效率情況統計如表3所示。

表3 LED室內燈重大缺陷評估試驗后持續點亮7000h失效統計Table 3 Failure rate statistics under 7000h operation of LED indoor lamps after major defects testing

從表3可見，經過重大缺陷評估試驗后的樣品，在后期持續點亮工作時間段內，失效率極低。相當于，在剔除存在的重大缺陷后，壽命可得到較高的保障，至少在保障7000h壽命的可靠度在95%以上。

5 重大缺陷快速評估方法與LED壽命評價方法的差異和關聯

目前現行的國家標準和IEC標準中對LED燈的壽命或可靠性主要集中在，通過數千小時甚至更長時間持續監測光通維持率來對壽命進行預測，并提出了L70或L50壽命值，即以光通維持率降低至70%或50%時的時間為產品壽命。這個思路主要是從美國能源之星引用過來的，參照的是傳統照明光源的評價方式。但是，不一樣的是，傳統照明產品畢竟壽命相對較短，在點燃5000h時已接近壽命終了期，即在“浴盆曲線”的時間軸上已接近進入耗損故障期，因此用這個方法評價傳統照明產品，可靠度較高，時間上也相對經濟。但LED壽命較長，按照這個思路進行評價，更多的是體現個體的壽命，而代表不了整體的可靠性性能。

因此，加速壽命評價試驗方法已經成為國內外LED照明行業研究的熱點，同時，這也是個國際難題，困擾著整個半導體照明行業。LED應用產品的壽命，取決于燈系統的短板，這個短板可能是某個元器件，也可能是材料甚至可能是某個焊點。

目前無法去正面證實LED燈的壽命有多長，但通過重大缺陷評估試驗，我們可以證實試驗樣品的壽命有多短。在提出此方案的同時，根據后期跟蹤的數據，我們在應用重大缺陷評估試驗方案時，還可以提出具有一定可靠度水平的保障壽命值。例如，通過試驗的批次樣品，至少可以到達7000h壽命，該壽命值具有95%可靠度水平。

［1］張增照.電子產品可靠性預計［M］.北京:科學出版社，2007.

［2］Patrick D.T.O'Connor.實用可靠性工程 (第四版)［M］.北京:電子工業出版社，2004.