相對(duì)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(zhǎng)、安全、外觀可塑性好、驅(qū)動(dòng)靈活以及體積容易小型化等諸多優(yōu)勢(shì)。LED產(chǎn)業(yè)與目前各國(guó)所倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保、營(yíng)造綠色低碳生活的政策相符,因此獲得各國(guó)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(shí)日。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈、產(chǎn)品更新?lián)Q代快、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間便成為行業(yè)迫切需要。然而，制約新品開(kāi)發(fā)時(shí)間的主要瓶頸在于評(píng)估產(chǎn)品壽命的可靠性試驗(yàn)方法落后，試驗(yàn)周期太長(zhǎng)。國(guó)際上已有壽命評(píng)估的可靠性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要以美國(guó)能源之星(ES)和國(guó)際照明委員會(huì)(IEC)體系為典型代表。針對(duì)LED燈具壽命的評(píng)估，二者都提出直接對(duì)燈具進(jìn)行老化測(cè)試，或根據(jù)LED封裝、LED模組等的老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行推算。而按照耗時(shí)最短的ES試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，老化時(shí)間也需要6000小時(shí)。因此，急需開(kāi)發(fā)一種快速的LED照明產(chǎn)品壽命評(píng)估的可靠性試驗(yàn)方法。

　　國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CSAS)制定發(fā)布的聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)CSA020《LED照明產(chǎn)品加速衰減試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)的方法。CSA020用于快速檢驗(yàn)LED照明產(chǎn)品的預(yù)期壽命，將測(cè)試周期大大縮短至2000小時(shí)以?xún)?nèi)，并且具有與ES方法相同的測(cè)試精度。起草小組于2013年1月完成了征求意見(jiàn)稿，向國(guó)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(jiàn)，并對(duì)多個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了反復(fù)討論，充分醞釀，于2013年3月正式完成，提交CSAS進(jìn)行投票，并于2013年4月發(fā)布為聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)。

　　一、CSA020加速衰減試驗(yàn)方法原理

　　CSA020加速衰減試驗(yàn)方法的加速原理是，在測(cè)試設(shè)備精度得到保證的前提下，假設(shè)光通維持率與時(shí)間呈e指數(shù)衰減關(guān)系，則可以使用3600小時(shí)光通量衰減數(shù)據(jù)替代ES測(cè)試方法所需的6000小時(shí)的數(shù)據(jù)。另外，加速衰減試驗(yàn)方法采用了多次通過(guò)實(shí)測(cè)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(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度(用以提高LED結(jié)溫)的方式進(jìn)一步縮短測(cè)試時(shí)間。在建議最高溫度為55℃的測(cè)試條件下，2000小時(shí)以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)，可用來(lái)替代ES方法所需要的室溫下6000小時(shí)的數(shù)據(jù)。對(duì)于最高標(biāo)稱(chēng)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(biāo)稱(chēng)工作溫度為最高測(cè)試溫度。該標(biāo)準(zhǔn)采用的加速衰減試驗(yàn)方法的可行性與合理性，不僅在理論上進(jìn)行了證明，還用LED照明燈具實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)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(shí)間的光衰減可以用e指數(shù)關(guān)系表示，見(jiàn)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(guó)際論文所提供的數(shù)據(jù)證實(shí)了除了室溫外，公式(1)也適用于更高的測(cè)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L(zhǎng)ED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(dá)到φ(t)=0.7的時(shí)間;t95|T1為光通維持率達(dá)到φ(t)=0.95的時(shí)間;t91.8|T1為光通維持率達(dá)到φ(t)=0.918的時(shí)間。若t70|T1=25000小時(shí)，由公式(1)可以算出：α|T1=1.426×10-5，進(jìn)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(dāng)工作條件下的結(jié)溫為T(mén)1，光通維持率為95%時(shí)，;當(dāng)加速溫度下的結(jié)溫為T(mén)2，光通維持率為95%時(shí)，則：

二階段加速模型的兩個(gè)加速過(guò)程的先后順序可以調(diào)換。如圖1所示，先進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)提出的檢驗(yàn)流程

　　CSA020標(biāo)準(zhǔn)提出的檢驗(yàn)流程如圖2所示，依次為：抽樣、判定加速試驗(yàn)溫度、進(jìn)行加速試驗(yàn)、加速試驗(yàn)達(dá)標(biāo)判定。

　　1.抽樣方法

　　檢驗(yàn)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(xiàn)上連續(xù)生產(chǎn)的產(chǎn)品組成檢驗(yàn)批次。檢驗(yàn)樣品應(yīng)至少在兩個(gè)以上的制造批次中隨機(jī)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(gè)。樣本數(shù)越多，檢測(cè)結(jié)果的置信度越高。

　　2.加速試驗(yàn)溫度的選擇

　　將試驗(yàn)箱依序設(shè)置為表1所列的4個(gè)測(cè)試溫度，在每個(gè)測(cè)試溫度保持至少60分鐘，使樣品達(dá)到熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)量樣品在該溫度下的光學(xué)特性(如照度)。在每次測(cè)量結(jié)束后，都應(yīng)將樣品從溫度試驗(yàn)箱中取出，在室溫條件下靜置，當(dāng)樣品達(dá)到熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)后測(cè)量光通量。

　　樣品在溫度試驗(yàn)箱外測(cè)量得到的光通量之間的差異應(yīng)在5%之內(nèi)，在溫度試驗(yàn)箱中4個(gè)設(shè)定測(cè)試溫度下測(cè)量得到的光學(xué)性能之間的差異應(yīng)在10%之內(nèi)，則可以將該測(cè)試溫度(25℃除外)減小5℃作為加速衰減試驗(yàn)的加速試驗(yàn)溫度。加速試驗(yàn)中應(yīng)采用滿(mǎn)足以上條件的最高加速試驗(yàn)溫度，但不應(yīng)高于55℃，且不應(yīng)高于產(chǎn)品標(biāo)稱(chēng)的最高工作溫度。

　　3.進(jìn)行加速試驗(yàn)

　　樣品需要先測(cè)量初始光通量。然后將樣品置于試驗(yàn)箱中，進(jìn)行加速試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境溫度為上述判定的加速試驗(yàn)溫度，試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)濕度不超過(guò)65%，樣品在額定電壓下連續(xù)工作。

　　4.加速試驗(yàn)達(dá)標(biāo)判定

　　CSA列舉了標(biāo)稱(chēng)壽命分別為25000小時(shí)、30000小時(shí)和35000小時(shí)的樣品的達(dá)標(biāo)判定方法。如標(biāo)稱(chēng)壽命為35000小時(shí)的樣品，在一定的加速溫度下，所有樣品達(dá)到表2所示的累計(jì)負(fù)載時(shí)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(dá)到其標(biāo)稱(chēng)壽命35000小時(shí)。如果加速溫度為55℃,則判定LED照明產(chǎn)品壽命為35000小時(shí)、30000小時(shí)和25000小時(shí)所需的測(cè)試時(shí)間分別僅為1750小時(shí)，1550小時(shí)和1300小時(shí)。

　　參考大量市場(chǎng)常見(jiàn)產(chǎn)品的LM-80數(shù)據(jù)，計(jì)算得到常見(jiàn)優(yōu)良產(chǎn)品的激活能。CSA020選取0.45eV作為標(biāo)準(zhǔn)激活能，涵蓋了絕大部分的市場(chǎng)優(yōu)良產(chǎn)品。根據(jù)公式(1)，利用產(chǎn)品的標(biāo)稱(chēng)壽命和預(yù)期光通維持率(70%)，可以得出不同標(biāo)稱(chēng)壽命對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)光衰曲線(xiàn)。同時(shí)，也可計(jì)算不同標(biāo)稱(chēng)壽命對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)α值，根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)結(jié)溫。某一標(biāo)稱(chēng)壽命下的標(biāo)準(zhǔn)光衰速率一定大于實(shí)際良品的光衰速率。因此，可以推斷出，標(biāo)準(zhǔn)α值和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)溫大于絕大部分優(yōu)良產(chǎn)品的α值和實(shí)際結(jié)溫。

　　根據(jù)公式(2)，代入標(biāo)準(zhǔn)α值、標(biāo)準(zhǔn)結(jié)溫和激活能，計(jì)算A值;在環(huán)境溫度分別為55℃、45℃和35℃時(shí)，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(jì)算得到光通量衰減為95%的時(shí)間L95，如表3所示。

　　因此，本試驗(yàn)方法的達(dá)標(biāo)判定按照以下假設(shè)條件進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)結(jié)溫;

　　(3)LED光源的供電于試驗(yàn)進(jìn)行中是保持穩(wěn)定的。

　　然而，本達(dá)標(biāo)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(dāng)光源激活能稍大于0.45eV時(shí)，結(jié)溫小于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)溫則可以部分滿(mǎn)足達(dá)標(biāo)判定的需求。

　　為了驗(yàn)證CSA020《LED照明產(chǎn)品加速衰減試驗(yàn)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(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。在55℃加速和室溫(25℃)測(cè)試下，驗(yàn)證了加速衰減試驗(yàn)的結(jié)果與室溫測(cè)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(cè)試下，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)光衰曲線(xiàn)。圖4中顯示產(chǎn)品3和產(chǎn)品5在室溫條件下測(cè)試時(shí)，光衰速率不符合要求，圖3中顯示同樣的結(jié)果。說(shuō)明符合加速測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，也可以通過(guò)在室溫條件下6000小時(shí)的測(cè)試。本結(jié)果說(shuō)明了加速衰減試驗(yàn)的結(jié)果與室溫測(cè)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(guó)能源之星ES方法相比，CSA020《LED照明產(chǎn)品加速衰減試驗(yàn)方法》能夠有效縮短預(yù)測(cè)LED照明產(chǎn)品壽命所需的試驗(yàn)時(shí)間。CSA020試驗(yàn)方法理論的正確性與廣泛的代表性得到了大量詳實(shí)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。考慮到測(cè)量系統(tǒng)的精度，使用該方法能夠在55℃的測(cè)試溫度下將測(cè)試時(shí)間縮短至2000小時(shí)以?xún)?nèi)。CSA020正被國(guó)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(huì)員單位接收，相信不久的將來(lái)會(huì)受到越來(lái)越多的企業(yè)認(rèn)可，必將對(duì)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(dòng)作用。（本文選自《半導(dǎo)體照明》雜志第38期）