相對傳統(tǒng)照明產(chǎn)品而言,作為第三代照明的LED產(chǎn)品具有節(jié)能環(huán)保、壽命長、安全、外觀可塑性好、驅(qū)動靈活以及體積容易小型化等諸多優(yōu)勢。LED產(chǎn)業(yè)與目前各國所倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保、營造綠色低碳生活的政策相符,因此獲得各國政府的大力支持,尤其與公用事業(yè)相關(guān)的應(yīng)用(如LED路燈等)更是發(fā)展迅猛。但由于受成本等因素的制約,在民用方面完全替代傳統(tǒng)照明,尚需時日。由于市場競爭激烈、產(chǎn)品更新?lián)Q代快、縮短開發(fā)時間便成為行業(yè)迫切需要。然而，制約新品開發(fā)時間的主要瓶頸在于評估產(chǎn)品壽命的可靠性試驗方法落后，試驗周期太長。國際上已有壽命評估的可靠性相關(guān)標準，主要以美國能源之星(ES)和國際照明委員會(IEC)體系為典型代表。針對LED燈具壽命的評估，二者都提出直接對燈具進行老化測試，或根據(jù)LED封裝、LED模組等的老化試驗數(shù)據(jù)進行推算。而按照耗時最短的ES試驗方法進行試驗，老化時間也需要6000小時。因此，急需開發(fā)一種快速的LED照明產(chǎn)品壽命評估的可靠性試驗方法。
國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標準化委員會(CSAS)制定發(fā)布的聯(lián)盟標準CSA020《LED照明產(chǎn)品加速衰減試驗方法》正是在上述背景下產(chǎn)生的，主要適用于LED路燈、LED隧道燈、LED射燈、LED筒燈和LED球泡燈等LED照明產(chǎn)品。其他LED照明產(chǎn)品可參照使用本標準的方法。CSA020用于快速檢驗LED照明產(chǎn)品的預(yù)期壽命，將測試周期大大縮短至2000小時以內(nèi)，并且具有與ES方法相同的測試精度。起草小組于2013年1月完成了征求意見稿，向國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的全體成員以及飛利浦等龍頭企業(yè)廣泛征求了意見，并對多個技術(shù)細節(jié)進行了反復(fù)討論，充分醞釀，于2013年3月正式完成，提交CSAS進行投票，并于2013年4月發(fā)布為聯(lián)盟標準。
一、CSA020加速衰減試驗方法原理
CSA020加速衰減試驗方法的加速原理是，在測試設(shè)備精度得到保證的前提下，假設(shè)光通維持率與時間呈e指數(shù)衰減關(guān)系，則可以使用3600小時光通量衰減數(shù)據(jù)替代ES測試方法所需的6000小時的數(shù)據(jù)。另外，加速衰減試驗方法采用了多次通過實測數(shù)據(jù)證明可行的Arrhenius加速模型描述LED產(chǎn)品在高結(jié)溫下的壽命。因此，該方法利用提高測試時的環(huán)境溫度(用以提高LED結(jié)溫)的方式進一步縮短測試時間。在建議最高溫度為55℃的測試條件下，2000小時以內(nèi)的數(shù)據(jù)，可用來替代ES方法所需要的室溫下6000小時的數(shù)據(jù)。對于最高標稱工作溫度小于55℃的LED照明產(chǎn)品，則要求以產(chǎn)品的最高標稱工作溫度為最高測試溫度。該標準采用的加速衰減試驗方法的可行性與合理性，不僅在理論上進行了證明，還用LED照明燈具實際測試數(shù)據(jù)進行了驗證。
二階段加速模型是CSA020 的重要理論基礎(chǔ)。LED照明產(chǎn)品隨時間的光衰減可以用e指數(shù)關(guān)系表示，見公式(1)：
在公式(1)中，φ(t)是歸一化的光通維持率，β是擬合常數(shù)。由于歸一化，β=1.0。國際論文所提供的數(shù)據(jù)證實了除了室溫外，公式(1)也適用于更高的測試溫度。根據(jù)Arrhenius方程α隨溫度變換：
Ea為激活能 (eV);k為玻爾茲曼常數(shù)(8.617385×10-5eV/K);A為前綴因子。若上式中的T為LED芯片的結(jié)溫，令T1為工作條件下的結(jié)溫(例如：室溫25℃條件下)，則： t70|T1
為光通維持率達到φ(t)=0.7的時間;t95|T1為光通維持率達到φ(t)=0.95的時間;t91.8|T1為光通維持率達到φ(t)=0.918的時間。若t70|T1=25000小時，由公式(1)可以算出：α|T1=1.426×10-5，進而可以得到t91.8|T1=6000h，。以上為第一階段光通量e指數(shù)加速。
當工作條件下的結(jié)溫為T1，光通維持率為95%時，;當加速溫度下的結(jié)溫為T2，光通維持率為95%時，則：
二階段加速模型的兩個加速過程的先后順序可以調(diào)換。如圖1所示，先進行e指數(shù)加速然后做溫度加速(圖1中的①+②路徑)，或者是先進行溫度加速然后做e指數(shù)加速(圖1中的③+④路徑)，其結(jié)果相同。
圖1 二階段加速模型的可互換性示意圖
二、CSA020標準提出的檢驗流程
CSA020標準提出的檢驗流程如圖2所示，依次為：抽樣、判定加速試驗溫度、進行加速試驗、加速試驗達標判定。
1.抽樣方法
檢驗批次組成：采用相同的材料、元器件和光源，以及具有相同的結(jié)構(gòu)形式，在同一條生產(chǎn)線上連續(xù)生產(chǎn)的產(chǎn)品組成檢驗批次。檢驗樣品應(yīng)至少在兩個以上的制造批次中隨機抽取。樣品的光通量應(yīng)符合穩(wěn)定衰減。樣品樣本數(shù)至少為3個。樣本數(shù)越多，檢測結(jié)果的置信度越高。
2.加速試驗溫度的選擇
將試驗箱依序設(shè)置為表1所列的4個測試溫度，在每個測試溫度保持至少60分鐘，使樣品達到熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)，測量樣品在該溫度下的光學特性(如照度)。在每次測量結(jié)束后，都應(yīng)將樣品從溫度試驗箱中取出，在室溫條件下靜置，當樣品達到熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)后測量光通量。
樣品在溫度試驗箱外測量得到的光通量之間的差異應(yīng)在5%之內(nèi)，在溫度試驗箱中4個設(shè)定測試溫度下測量得到的光學性能之間的差異應(yīng)在10%之內(nèi)，則可以將該測試溫度(25℃除外)減小5℃作為加速衰減試驗的加速試驗溫度。加速試驗中應(yīng)采用滿足以上條件的最高加速試驗溫度，但不應(yīng)高于55℃，且不應(yīng)高于產(chǎn)品標稱的最高工作溫度。
3.進行加速試驗
樣品需要先測量初始光通量。然后將樣品置于試驗箱中，進行加速試驗。試驗環(huán)境溫度為上述判定的加速試驗溫度，試驗環(huán)境相對濕度不超過65%，樣品在額定電壓下連續(xù)工作。
4.加速試驗達標判定
CSA列舉了標稱壽命分別為25000小時、30000小時和35000小時的樣品的達標判定方法。如標稱壽命為35000小時的樣品，在一定的加速溫度下，所有樣品達到表2所示的累計負載時間后，加速光通維持率不小于95%，則判定樣品的最小預(yù)期壽命達到其標稱壽命35000小時。如果加速溫度為55℃,則判定LED照明產(chǎn)品壽命為35000小時、30000小時和25000小時所需的測試時間分別僅為1750小時，1550小時和1300小時。
參考大量市場常見產(chǎn)品的LM-80數(shù)據(jù)，計算得到常見優(yōu)良產(chǎn)品的激活能。CSA020選取0.45eV作為標準激活能，涵蓋了絕大部分的市場優(yōu)良產(chǎn)品。根據(jù)公式(1)，利用產(chǎn)品的標稱壽命和預(yù)期光通維持率(70%)，可以得出不同標稱壽命對應(yīng)的標準光衰曲線。同時，也可計算不同標稱壽命對應(yīng)的標準α值，根據(jù)產(chǎn)品的實測數(shù)據(jù)并采用公式(2)，得到允許的最高結(jié)溫，使其作為標準結(jié)溫。某一標稱壽命下的標準光衰速率一定大于實際良品的光衰速率。因此，可以推斷出，標準α值和標準結(jié)溫大于絕大部分優(yōu)良產(chǎn)品的α值和實際結(jié)溫。
根據(jù)公式(2)，代入標準α值、標準結(jié)溫和激活能，計算A值;在環(huán)境溫度分別為55℃、45℃和35℃時，LED結(jié)溫分別比室溫條件下高30℃、20℃和10℃，利用公式(2)，可以計算得到光通量衰減為95%的時間L95，如表3所示。
因此，本試驗方法的達標判定按照以下假設(shè)條件進行設(shè)置：
(1)光源的激活能不大于0.45eV;
(2)結(jié)溫不大于如表2所示的標準結(jié)溫;
(3)LED光源的供電于試驗進行中是保持穩(wěn)定的。
然而，本達標判定容許條件1和2條件的部分放松。按照二階段加速模型，可以容許當光源激活能稍大于0.45eV時，結(jié)溫小于標準結(jié)溫則可以部分滿足達標判定的需求。
為了驗證CSA020《LED照明產(chǎn)品加速衰減試驗方法》具有廣泛的代表性，在筒燈、射燈、球泡燈、路燈和隧道燈中選取了17種具有代表性的LED照明產(chǎn)品進行了驗證試驗。在55℃加速和室溫(25℃)測試下，驗證了加速衰減試驗的結(jié)果與室溫測試結(jié)果保持一致。圖3和圖4分別顯示在55℃加速和室溫(25℃)測試下，實測數(shù)據(jù)和標準光衰曲線。圖4中顯示產(chǎn)品3和產(chǎn)品5在室溫條件下測試時，光衰速率不符合要求，圖3中顯示同樣的結(jié)果。說明符合加速測試標準的產(chǎn)品，也可以通過在室溫條件下6000小時的測試。本結(jié)果說明了加速衰減試驗的結(jié)果與室溫測試結(jié)果是一致的
圖3 部分產(chǎn)品在55℃環(huán)境溫度加速下的光通維持率
圖4 部分產(chǎn)品在25℃室溫環(huán)境下的光通維持率
與美國能源之星ES方法相比，CSA020《LED照明產(chǎn)品加速衰減試驗方法》能夠有效縮短預(yù)測LED照明產(chǎn)品壽命所需的試驗時間。CSA020試驗方法理論的正確性與廣泛的代表性得到了大量詳實的數(shù)據(jù)驗證?？紤]到測量系統(tǒng)的精度，使用該方法能夠在55℃的測試溫度下將測試時間縮短至2000小時以內(nèi)。CSA020正被國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)十家會員單位接收，相信不久的將來會受到越來越多的企業(yè)認可，必將對LED照明產(chǎn)品的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到巨大的推動作用。（本文選自《半導(dǎo)體照明》雜志第38期）
