LM-80不等于LED燈具/燈泡的壽命

一、前言 　　目前LED燈泡在市場中存在著兩個重要的問題： 　　第一是標識不清。根據(jù)工研院測試業(yè)界的LED燈泡發(fā)現(xiàn)，高達五成以上的LED燈泡，所標示的實際光通量均低于標示值10%以上。 　　第二是品質(zhì)參差不齊。目前市場上沒有一套規(guī)范能夠說清楚LED燈泡的售價與品質(zhì)之關(guān)系。造成消費者經(jīng)常拿著「蘋果和橘子」在比較，有些更是花了較高的價格，但并沒有買到品質(zhì)相對高的產(chǎn)品，這種劣幣逐良幣的情形越來越嚴重，也引起了歐美日等國高度關(guān)注LED燈具/燈泡的標識和品質(zhì)的問題。 　　有監(jiān)于此，經(jīng)濟部能源局針對LED燈泡也加速節(jié)能標章的推動，對這件事情來說，筆者是一則以喜，一則以憂。喜的是至少臺灣快要有一個共通性的標準，可以提供消費者來選擇自己所需要的LED燈泡。憂的是，消費者花了比較多的錢，購買了符合「節(jié)能標章基準要求項目」的LED燈泡，真的就有了品質(zhì)上的保障嗎？ 　　二、流明維持率足以代表LED燈具壽命嗎？ 　　目前市場上較具官方代表性的規(guī)范，能夠與燈泡壽命扯上一點關(guān)系的，應(yīng)該是屬美國環(huán)境保護署/能源之星針對LED燈泡/燈具所發(fā)布的LM-80規(guī)范了。然而，自從此規(guī)范發(fā)布之后，在北美已陸續(xù)出現(xiàn)了一些不同的聲音，有些可靠性專家們甚至開始呼吁，應(yīng)該要立即停止以LM-80的流明維持率(L70)作為LED燈泡或燈具壽命判斷的唯一依據(jù)。 　　事實上，2006年時，美國能源部固態(tài)照明（SSL）品質(zhì)工作小組，邀請了32位可靠性專家們，針對LED的可靠性與壽命估算方法進行非常深入的討論。在考量LED當時產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力后，工作小組決定，以流明維持率(L70)來代表LED元件和燈具的可靠性會最為顯著，也是最容易被量化的指標。原因是，傳統(tǒng)鎢絲燈泡在使用上，只要鎢絲燒毀了，就表示燈泡壽命到了，而LED燈泡在流明衰退上，是逐漸而緩慢的，在衰退初期，人們在視覺上是感覺不到的，一直要等到光源衰退至初始光源的70%(L70)時，人們才會感覺的到燈泡變暗，這時也就影響到照度。因此，工作小組建議以流明維持率(L70)作為LM-80規(guī)范的唯一判定依據(jù)。但爭議點是，流明維持率等不等于LED燈泡或燈具的壽命(Life Time)？ LM-80規(guī)范有存在著什么樣的問題呢？ 　　三、蘋果要跟蘋果比：LED燈具是「電子產(chǎn)品」，不是傳統(tǒng)「燈泡」 　　LED元件壽命： 　　基本上LED元件是發(fā)光二極體，本就屬電子元件的一種。因此，若要談LED元件的壽命，應(yīng)該使用已經(jīng)相當成熟的電子元件加速壽命試驗(ALT)方法，配合取樣數(shù)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等，來評估LED元件壽命。以目前LM-80規(guī)范來說，以三種試驗溫度，配合能源之星所訂定的流明維持率要求，作為LED元件的失效判定標準，其實爭議是不大的，特別是在TM-21壽命推估方式發(fā)布后，更解決了各廠商在LED元件壽命上各說各話的情形，但是對使用LED元件的燈具廠來說，可能產(chǎn)生的爭議點是： 　　1. 在能源之星/LM-80規(guī)范中，要求LED元件必須通過三種不同溫度的試驗，在每個試驗溫度下，最少必須有20顆LED元件通過6000小時的試驗，并以流明維持率作為試驗成敗的唯一判斷依據(jù)。爭議就在于，如果在6000小時試驗過程中，有LED元件出現(xiàn)不亮或燒毀的情形，均可不列入流明維持率的計算，單單此舉，就已經(jīng)不符合LED元件壽命計算的要求了。 　　2. 若要采用LM-80試驗數(shù)據(jù)做為壽命計算依據(jù)也是可行的，只要清楚定義那些失效模式代表著失效即可(例如：流明維持率、死燈、燒毀、色座標/電壓/電流偏移等)，任何失效定義之失效模式出現(xiàn)時，即代表LED元件的壽命到了。除了晶粒品質(zhì)外，包括封裝材料的選擇到打線技術(shù)等，都影響到LED元件的壽命與可靠性。因此，對于要執(zhí)行LM-80或是壽命驗證的LED元件來說，先通過「可靠性資格驗證」絕對有其必要性。 　　備注：在執(zhí)行LM-80/6000小時的試驗過程中，為了降低部分LED失效而使試驗中斷的風(fēng)險，通常LED元件廠會提高試驗的取樣數(shù)量，當試驗過程中有部分LED出現(xiàn)死燈或早夭時，能源之星是允許故障樣品不列入平均流明維持率的計算，但要求必須在LM-80報告中注明。因此，燈具廠商在閱讀LED供應(yīng)商所提供的LM-80報告時，除了須了解試驗溫度與流明維持率外，樣品數(shù)量資訊就更須審慎了。 　　LED燈泡/燈具壽命： 　　影響LED燈泡或燈具壽命，真的只有流明維持率這個因子嗎？ 基本上，LED燈具是由括調(diào)光器，電源供應(yīng)器，發(fā)光二極體，光機驅(qū)動元件、散熱模組等所組成，這表示整個燈具的壽命，實際上是由數(shù)個電子模組串聯(lián)或并聯(lián)所構(gòu)成，而每個電子模組都有各自的功能和可靠性水準，當任何一個模組發(fā)生問題時，都代表著LED燈具失效了，這點與傳統(tǒng)鎢絲燈泡大不相同，如果我們把LED產(chǎn)品看做電子產(chǎn)品，哪些是構(gòu)成LED產(chǎn)品失效的主要原因呢？ 　　其實，從一般電子產(chǎn)品的常見失效情形就可以窺出一二。電子產(chǎn)品常見的失效包括散熱設(shè)計不良、過載使用、驅(qū)動電路故障、電源故障以及零件或制程工藝不良等。只要是會發(fā)生在電子產(chǎn)品上的失效情形，基本上都會出現(xiàn)在LED產(chǎn)品上，針對這類型的缺陷，通?？衫秒娮赢a(chǎn)品可靠性設(shè)計驗證手法，在實驗室被提早發(fā)現(xiàn)而加以改善。另一種失效是屬于電氣特性上的失效，若以LED燈具來說，如流明維持率、色溫/色彩變化、電源參數(shù)偏移等，針對這類型的缺陷，則利用環(huán)境試驗與可靠性證明試驗加以驗證即可。因此，從過去在電子產(chǎn)品在可靠性上的經(jīng)驗來看，LED產(chǎn)品也應(yīng)遵循著傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品環(huán)境與可靠性試驗?zāi)Ｊ?，來加以驗證其可靠性與壽命才對。 　　目前，在文獻上要找到大量的LED燈具故障數(shù)據(jù)并不是一件容易的事，近兩年來比較大規(guī)模的數(shù)據(jù)，是在美國東部的賓夕法尼亞州埃爾伍德市。埃爾伍德市從5400盞戶外LED路燈失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計中得知，電源與控制驅(qū)動模組失效占59%，散熱不良占31%，LED元件不良約占10%。這是以美國設(shè)計與封裝技術(shù)能力的產(chǎn)品，并針對戶外用LED路燈實際所觀測的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可得知電源模組與控制驅(qū)動模組所占的失效比例最大，散熱不良造成失效為第二，加上戶外環(huán)境因子較室內(nèi)環(huán)境因子復(fù)雜(包括溫度、濕度、雨水/結(jié)露、灰塵、硫化腐蝕、雷擊、電源變動等)。因此，對戶外用LED產(chǎn)品來說，環(huán)境模擬試驗與壽命試驗更形重要，而不僅僅是節(jié)能或流明維持率這些事了。 　　四、對LED成品廠的建議 　　1. LED成品的可靠性與壽命，是由各分項模組的可靠性所組成。因此，必須依層級建立LED元件和各模組階段的可靠性評估方法或標準，并將此標準訂定于買賣合約中。(如LED LM-80報告，模組可靠性試驗、EMC、安規(guī)等報告)。 　　2. 建立LED成品可靠性設(shè)計驗證計劃，并于產(chǎn)品雛型階段執(zhí)行設(shè)計驗證，這絕對是LED產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵所在。 　　3. 建立一套LED燈具之環(huán)境模擬與壽命加速試驗規(guī)范等。 　　五、對LED元件廠的建議 　　1. 以目前市場來說，符合LM-80試驗的LED元件，一定有助于全球市場的開拓。 　　2. 執(zhí)行LM-80試驗前，必須先進行可靠性資格試驗(Reliability Qualification Test)，以確認封裝品質(zhì)與電器性能有無缺陷存在，亦可避免在LM-80試驗途中出現(xiàn)失效，而使得整體試驗必須重新來過。 　　3. 進行LM-80流明維持率試驗時，可提高取樣數(shù)量，在以總試驗數(shù)量進行MTTF的計算，如可一舉兩得。至于LED元件可靠性資格試驗的項目，則可依循LED元件使用任務(wù)需求參考相關(guān)規(guī)范即可。(如AEC-Q101、JEDEC/JESD22、MIL-STD-883、Telcordia GR 468等) 　　六、結(jié)語 　　一個產(chǎn)品壽命要好，供應(yīng)鏈中無人能置身事外，更無須質(zhì)疑的，符合LM-80的LED元件品質(zhì)，一定比不符合的來的好。當LED產(chǎn)能嚴重過剩，市場也經(jīng)常傳來LED企業(yè)倒閉的消息，如果還能夠存活下來的公司，「成本」與「品質(zhì)」將是王道。尋找專業(yè)的實驗室給予協(xié)助，絕對是提升品質(zhì)與市場競爭力最快速的方法之一。