LM-80不等于LED灯具/灯泡的寿命!

一、前言

目前LED灯泡在市场中存在着两个重要的问题:

第一是标识不清。根据工研院测试业界的LED灯泡发现,高达五成以上的LED灯泡,所标示的实际光通量均低于标示值10%以上。

第二是品质参差不齐。目前市场上没有一套规范能够说清楚LED灯泡的售价与品质之关系。造成消费者经常拿着“苹果和橘子”在比较,有些更是花了较高的价格,但并没有买到品质相对高的产品,这种劣币逐良币的情形越来越严重,也引起了欧美日等国高度关注LED灯具/灯泡的标识和品质的问题。

有鑑于此,经济部能源局针对LED灯泡也加速节能标章的推动,对这件事情来说,笔者是一则以喜,一则以忧。喜的是至少台湾快要有一个共通性的标准,可以提供消费者来选择自己所需要的LED灯泡。忧的是,消费者花了比较多的钱,购买了符合“节能标章基准要求项目”的LED灯泡,真的就有了品质上的保障吗?

二、流明维持率足以代表LED灯具寿命吗?

目前市场上较具官方代表性的规范,能够与灯泡寿命扯上一点关系的,应该是属美国环境保护署/能源之星针对LED灯泡/灯具所发布的LM-80规范了。然而,自从此规范发布之后,在北美已陆续出现了一些不同的声音,有些可靠性专家们甚至开始呼吁,应该要立即停止以LM-80的流明维持率(L70)作为LED灯泡或灯具寿命判断的唯一依据。

事实上,2006年时,美国能源部固态照明(SSL)品质工作小组,邀请了32位可靠性专家们,针对LED的可靠性与寿命估算方法进行非常深入的讨论。在考量LED当时产业技术能力后,工作小组决定,以流明维持率(L70)来代表LED元件和灯具的可靠性会最为显著,也是最容易被量化的指标。原因是,传统钨丝灯泡在使用上,只要钨丝烧毁了,就表示灯泡寿命到了,而LED灯泡在流明衰退上,是逐渐而缓慢的,在衰退初期,人们在视觉上是感觉不到的,一直要等到光源衰退至初始光源的70%(L70)时,人们才会感觉的到灯泡变暗,这时也就影响到照度。因此,工作小组建议以流明维持率(L70)作为LM-80规范的唯一判定依据。但争议点是,流明维持率等不等于LED灯泡或灯具的寿命(Life Time)? LM-80规范有存在着什么样的问题呢?

三、苹果要跟苹果比:LED灯具是“电子产品”,不是传统“灯泡”

LED元件寿命:

基本上LED元件是发光二极管,本就属电子元件的一种。因此,若要谈LED元件的寿命,应该使用已经相当成熟的电子元件加速寿命试验(ALT)方法,配合取样数以及数据统计分析等,来评估LED元件寿命。以目前LM-80规范来说,以三种试验温度,配合能源之星所订定的流明维持率要求,作为LED元件的失效判定标准,其实争议是不大的,特别是在TM-21寿命推估方式发布后,更解决了各厂商在LED元件寿命上各说各话的情形,但是对使用LED元件的灯具厂来说,可能产生的争议点是:

1. 在能源之星/LM-80规范中,要求LED元件必须通过三种不同温度的试验,在每个试验温度下,最少必须有20颗LED元件通过6000小时的试验,并以流明维持率作为试验成败的唯一判断依据。争议就在于,如果在6000小时试验过程中,有LED元件出现不亮或烧毁的情形,均可不列入流明维持率的计算,单单此举,就已经不符合LED元件寿命计算的要求了。

2. 若要采用LM-80试验数据做为寿命计算依据也是可行的,只要清楚定义那些失效模式代表着失效即可(例如:流明维持率、死灯、烧毁、色座标/电压/电流偏移等),任何失效定义之失效模式出现时,即代表LED元件的寿命到了。除了晶粒品质外,包括封装材料的选择到打线技术等,都影响到LED元件的寿命与可靠性。因此,对于要执行LM-80或是寿命验证的LED元件来说,先通过“可靠性资格验证”绝对有其必要性。

备注:在执行LM-80/6000小时的试验过程中,为了降低部分LED失效而使试验中断的风险,通常LED元件厂会提高试验的取样数量,当试验过程中有部分LED出现死灯或早夭时,能源之星是允许故障样品不列入平均流明维持率的计算,但要求必须在LM-80报告中注明。因此,灯具厂商在阅读LED供应商所提供的LM-80报告时,除了须了解试验温度与流明维持率外,样品数量资讯就更须审慎了。

LED灯泡/灯具寿命

影响LED灯泡或灯具寿命,真的只有流明维持率这个因子吗? 基本上,LED灯具是由括调光器,电源供应器,发光二极管,光机驱动元件、散热模组等所组成,这表示整个灯具的寿命,实际上是由数个电子模组串联或并联所构成,而每个电子模组都有各自的功能和可靠性水准,当任何一个模组发生问题时,都代表着LED灯具失效了,这点与传统钨丝灯泡大不相同,如果我们把LED产品看做电子产品,哪些是构成LED产品失效的主要原因呢?

其实,从一般电子产品的常见失效情形就可以窥出一二。电子产品常见的失效包括散热设计不良、过载使用、驱动电路故障、电源故障以及零件或制程工艺不良等。只要是会发生在电子产品上的失效情形,基本上都会出现在LED产品上,针对这类型的缺陷,通常可利用电子产品可靠性设计验证手法,在实验室被提早发现而加以改善。另一种失效是属于电气特性上的失效,若以LED灯具来说,如流明维持率、色温/色彩变化、电源参数偏移等,针对这类型的缺陷,则利用环境试验与可靠性证明试验加以验证即可。因此,从过去在电子产品在可靠性上的经验来看,LED产品也应遵循着传统的电子产品环境与可靠性试验模式,来加以验证其可靠性与寿命才对。

目前,在文献上要找到大量的LED灯具故障数据并不是一件容易的事,近两年来比较大规模的数据,是在美国东部的宾夕法尼亚州埃尔伍德市。埃尔伍德市从5400盏户外LED路灯失效数据统计中得知,电源与控制驱动模组失效占59%,散热不良占31%,LED元件不良约占10%。这是以美国设计与封装技术能力的产品,并针对户外用LED路灯实际所观测的数据,从数据中可得知电源模组与控制驱动模组所占的失效比例最大,散热不良造成失效为第二,加上户外环境因子较室内环境因子复杂(包括温度、湿度、雨水/结露、灰尘、硫化腐蚀、雷击、电源变动等)。因此,对户外用LED产品来说,环境模拟试验与寿命试验更形重要,而不仅仅是节能或流明维持率这些事了。

四、对LED成品厂的建议

1. LED成品的可靠性与寿命,是由各分项模组的可靠性所组成。因此,必须依层级建立LED元件和各模组阶段的可靠性评估方法或标准,并将此标准订定于买卖合约中。(如LED LM-80报告,模组可靠性试验、EMC、安规等报告)。
2. 建立LED成品可靠性设计验证计划,并于产品雏型阶段执行设计验证,这绝对是LED产品可靠性的关键所在。
3. 建立一套LED灯具之环境模拟与寿命加速试验规范等。

五、对LED元件厂的建议

1.以目前市场来说,符合LM-80试验的LED元件,一定有助于全球市场的开拓。
2.执行LM-80试验前,必须先进行可靠性资格试验(Reliability Qualification Test),以确认封装品质与电器性能有无缺陷存在,亦可避免在LM-80试验途中出现失效,而使得整体试验必须重新来过。
3.进行LM-80流明维持率试验时,可提高取样数量,在以总试验数量进行MTTF的计算,如可一举两得。至于LED元件可靠性资格试验的项目,则可依循LED元件使用任务需求参考相关规范即可。(如AEC-Q101、JEDEC/JESD22、MIL-STD-883、Telcordia GR 468等)

六、结语

一个产品寿命要好,供应链中无人能置身事外,更无须质疑的,符合LM-80的LED元件品质,一定比不符合的来的好。当LED产能严重过剩,市场也经常传来LED企业倒闭的消息,如果还能够存活下来的公司,“成本”与“品质”将是王道。寻找专业的实验室给予协助,绝对是提升品质与市场竞争力最快速的方法之一。

【宜特科技可靠度工程处 崔革文撰】

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