1. 概述

隨著近年來(lái)LED光效的不斷提升，LED的壽命和可靠性越來(lái)越受到業(yè)界的重視，它是LED產(chǎn)品最重要的性能之一。壽命是可靠性的終極表現(xiàn)，然而LED的理論壽命很長(zhǎng)，像傳統(tǒng)光源采用2h45min開(kāi)、15min關(guān)的循環(huán)測(cè)試到壽命終了，對(duì)LED產(chǎn)品的測(cè)量顯然不現(xiàn)實(shí)。因此有必要對(duì)LED產(chǎn)品采用加速老化壽命試驗(yàn)

2. LED可靠性和壽命相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)

，同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)測(cè)試LED的熱學(xué)特性、環(huán)境耐候性、電磁兼容抗擾度等與壽命和可靠性密切相關(guān)的性能，以綜合分析LED的壽命。

2. LED可靠性和壽命相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)

LED產(chǎn)品制造中的每一個(gè)元件和環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)其可靠性和壽命產(chǎn)生影響，例如，LED結(jié)和基板的虛焊、LED熒光粉的熱猝滅和退化、封裝材料的退化以及驅(qū)動(dòng)器的失效等，最后退化的可能才是半導(dǎo)體(PN結(jié))本身。這些因素導(dǎo)致LED產(chǎn)品失效(退化)的方式也不盡相同，一般可分為緩變退化(gradual degradation)和瞬變退化(abrupt degradation)。

LED的緩變退化(失效)指標(biāo)主要包括：

流明維持率下降，即光衰，一般以初始光通量為100%，當(dāng)LED產(chǎn)品的流明維持率下降到初始值的70%或50%時(shí)，認(rèn)為L(zhǎng)ED失效，流明維持壽命相應(yīng)記為L(zhǎng)50或L70;

顏色漂移，受到熒光粉或封裝材料的變化，LED的顏色會(huì)在壽命期間內(nèi)發(fā)生漂移，該漂移應(yīng)在指定范圍以?xún)?nèi)(如△u’v’≤0.007)，超過(guò)范圍則視為L(zhǎng)ED失效;

電性能變化，電性能變化能更為直觀地監(jiān)測(cè);

開(kāi)關(guān)次數(shù)，開(kāi)關(guān)可能會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)等電路產(chǎn)生一定影響;

熱阻變化和其它熱特性參數(shù)曲線，熱特性與壽命息息相關(guān)，對(duì)熱特性的測(cè)量和分析有助于找出LED可靠性的薄弱環(huán)節(jié);

LED的瞬變退化(失效)即LED的光輸出突然降為0，其主要退化包括：抗電磁干擾能力：靜電放電、雷擊浪涌、快速群脈沖、周波跌落;高低溫沖擊耐受性特性;鹽霧、耐濕、振動(dòng)等。

3. 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

針對(duì)LED的主要緩變退化，國(guó)際上已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相繼發(fā)布，以是北美體系和國(guó)際照明委員會(huì)(IEC)體系最為典型，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)則基本融合了這兩個(gè)體系。

ENERGY STAR? Program Requirements Product Specification ELigibility Criteria ;

IES LM-80-08 Approved Method for Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources;

IES TM-21-11 Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Packages

IEC/PAS 62717 LED modules for general lighting – Performance requirements‘

 EC/PAS 62722-2-1 Luminaire Performance –Part 2-1: Particular requirements for LED luminaires

我國(guó)的GB/T 24824、GB/T24823、QB/T4057等

我國(guó)的GB/T XXXX LED加速壽命試驗(yàn)方法(尚未發(fā)布)

3. 北美體系和IEC系統(tǒng)對(duì)LED壽命和壽命試驗(yàn)方法的要求

北美體系和IEC系統(tǒng)在對(duì)LED產(chǎn)品的壽命要求和試驗(yàn)方法方面都有所區(qū)別，但針對(duì)于LED燈具壽命的評(píng)估，二者都提出直接老化測(cè)試燈具，或根據(jù)封裝LED、LED模塊等的老化試驗(yàn)進(jìn)行推算。

3.1 北美體系

如表1所示，Energy Star將對(duì)LED燈具壽命的試驗(yàn)方法分為選項(xiàng)1和選項(xiàng)2，其中，選項(xiàng)1是通過(guò)測(cè)試光源推導(dǎo)燈具的壽命;而選項(xiàng)2僅適用于光源和燈具不可分的一體化燈具，直接測(cè)試燈具的光通維持率。選項(xiàng)1，L70(6k)的表示是指，利用6000h(6K)的老化測(cè)試推導(dǎo)出的流明維持壽命L70的時(shí)間。

現(xiàn)對(duì)LM-80 和TM-21兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求總結(jié)如下：

適用范圍：LED封裝、模塊、陣列等;

考察對(duì)象：只考察光通維持壽命，即緩變失效因素

老化溫度：指定點(diǎn)殼溫(Ts)為55℃，85℃和第三個(gè)指定溫度，三個(gè)溫度覆蓋燈具中LED光源的Ts溫度。

老化時(shí)間：6000h，推薦10000h;

樣本數(shù)量要求及其與外推壽命時(shí)間的關(guān)系：20個(gè)以上樣品，外推壽命最高為老化時(shí)間的6倍;10-19個(gè)，外推壽命最高為老化時(shí)間的5.5倍;

光色參數(shù)測(cè)試時(shí)間：至少每1000h測(cè)量一次;

對(duì)突然失效的處理：觀察記錄，調(diào)查確認(rèn)突然失效是因?yàn)楣庠幢旧碓?

記錄顏色衰變：有;

數(shù)據(jù)記錄：每個(gè)LED的光通維持、中間值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最小和最大光通維持率值;

曲線擬合：1. 以初始值為1，歸一化光通維持率;

2. 在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，求得測(cè)試樣品歸一值的平均值;

3. 數(shù)據(jù)要求：不采用小于1000h內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù);老化6000h-10000h，至少用5000h的數(shù)據(jù);大于10000h，用最后50%的數(shù)據(jù)。

外推計(jì)算：推薦指數(shù)模型。

3.2 IEC體系

IEC體系中用Lx Fy 來(lái)表征LED產(chǎn)品的壽命，其中，Lx表示光通量維持率，如L70;Fy表示失效率，包括緩變失效率By和瞬變失效率Cy。例如：L70F50為30000h是指：50%的模塊在30000h后的光通維持率在70%以下。

對(duì)于普通照明用的白光LED產(chǎn)品，IEC并不強(qiáng)調(diào)對(duì)聲稱(chēng)的壽命進(jìn)行驗(yàn)證，而是對(duì)限定時(shí)間的流明維持率進(jìn)行分級(jí)。

IEC 中對(duì)LED模塊和燈具的光通維持率測(cè)試如表2所示。特別注意的是IEC體系中，LED模塊或燈具的瞬變失效和緩變失效是要在最終的Fy指標(biāo)上體現(xiàn)出來(lái)的。對(duì)于一組LED模塊，按試驗(yàn)樣品20個(gè)計(jì)算，若聲稱(chēng)F50，則至少n-2個(gè)模塊通過(guò);若聲稱(chēng)F10，則n個(gè)模塊全部通過(guò)試驗(yàn)。

老化試驗(yàn)中的溫度也特別值得關(guān)注。LED模塊老化應(yīng)在外殼指定點(diǎn)為T(mén)p溫度下老化，相當(dāng)于北美體系中的Ts;而燈具則在環(huán)境溫度Tq下考察其性能，并且應(yīng)確保在聲稱(chēng)的Tq max下， 模塊溫度Tp不會(huì)超過(guò)。

4. 加速老化和壽命測(cè)試系統(tǒng)

對(duì)于加速老化和壽命的測(cè)試，無(wú)論采用北美體系或IEC體系，其硬件測(cè)量裝置基本相同，一般主要包括恒溫試驗(yàn)箱、多路電源、多路溫度巡檢儀等。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于LED加速老化和壽命測(cè)試系統(tǒng)的研制也十分關(guān)注。由于LED光源或燈具的光色性能需在室溫(25℃±1℃)條件下測(cè)量，因此國(guó)外典型設(shè)備一般需要和積分球光譜儀系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，在LED老化到一定時(shí)間后冷卻恒溫箱內(nèi)溫度，并將被測(cè)LED取出到積分球系統(tǒng)中進(jìn)行光色測(cè)量。該操作過(guò)程很繁瑣，若測(cè)試間隔時(shí)間較短，則整個(gè)老化測(cè)試十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而當(dāng)測(cè)試間隔較長(zhǎng)是，則不能及時(shí)反映LED光色參數(shù)的變化過(guò)程，被測(cè)LED的失效時(shí)間的記錄誤差較大。

加速老化測(cè)試包括戶外暴曬老化測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試，其中常見(jiàn)的儀器包括Q-SUN氙燈老化試驗(yàn)箱以及QUV紫外老化試驗(yàn)箱等

在我國(guó)863計(jì)劃課題的支持下，杭州遠(yuǎn)方光電通過(guò)自主創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)了即加速老化和光色測(cè)試于一體的測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示為系統(tǒng)照片。系統(tǒng)具備90個(gè)功位，可分三溫區(qū)同時(shí)老化測(cè)試90個(gè)被測(cè)LED(30個(gè)×3)，其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是在恒溫箱中設(shè)置光信號(hào)取樣裝置，并與光色測(cè)量設(shè)備相連，被測(cè)LED的光色參數(shù)可在箱內(nèi)直接而不需要取出測(cè)量，可全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)老化測(cè)試以及數(shù)據(jù)分析。使得原本漫長(zhǎng)而繁復(fù)的LED老化、壽命試驗(yàn)和溫度試驗(yàn)變得十分的簡(jiǎn)單與輕松，數(shù)據(jù)更為精確可靠。設(shè)備含有多項(xiàng)遠(yuǎn)方公司獨(dú)有的專(zhuān)利技術(shù)，整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)整體性好，美觀大方，無(wú)論是使用者還是評(píng)估者，無(wú)論是內(nèi)在還是外觀，都會(huì)讓人信服。

利用上述測(cè)量裝置，還可在不同的環(huán)境溫度下(高溫狀態(tài))，測(cè)量被測(cè)LED的光色度，獲得LED光度-環(huán)境溫度曲線(溫度特性試驗(yàn))。圖2為典型的LED 相對(duì)光通量隨環(huán)境溫度的變化曲線，滿足IES LM-82-11

3. 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

以及關(guān)于CFL

3. 北美體系和IEC系統(tǒng)對(duì)LED壽命和壽命試驗(yàn)方法的要求

的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5. 小結(jié)

影響LED產(chǎn)品壽命和可靠性的因素有很多，相關(guān)的測(cè)試也較為復(fù)雜，其中最重要的是光通維持率測(cè)試，雖然已出臺(tái)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求不盡相同，但基本的試驗(yàn)方法和裝置要求基本相同。在國(guó)家863課題的支持下，我國(guó)已自主開(kāi)發(fā)了具有高智能化的加速老化和壽命測(cè)試系統(tǒng)，使我國(guó)工業(yè)界能夠進(jìn)行操作簡(jiǎn)便、高精度、低成本的光通維持壽命檢測(cè)，同時(shí)該系統(tǒng)還可測(cè)試光色參數(shù)隨環(huán)境溫度變化的曲線，滿足最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求即發(fā)展趨勢(shì)。此外，我國(guó)在LED的熱電光綜合分析系統(tǒng)和電磁兼容測(cè)試等方面也取得了諸多突破，建立了LED可靠性預(yù)測(cè)機(jī)制及BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

3.1 北美體系

，為更全面地考察LED的壽命和可靠性提供了技術(shù)支持和裝備保障。

參考文獻(xiàn)

2. LED可靠性和壽命相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)

H.Shen, J.Pan, H.Feng. Accelerated life test for high-power white LED based on spectroradiometric measurement. SPIE Photonics Asia 2007,Beijing, 2007.

3. 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

IES Approved Method for the Characterization of LED Light Engines and LED Lamps for Electrical and Photometric Properties as a Function of Temperature

3. 北美體系和IEC系統(tǒng)對(duì)LED壽命和壽命試驗(yàn)方法的要求

ENERGY STAR? Program Requirements for CFLs ENERGY STAR Eligibility Criteria Energy-Efficiency Criteria – Version 4.3

3.1 北美體系

沈海平，大功率LED 可靠性預(yù)測(cè)機(jī)制研究，博士畢業(yè)論文，2008.