LM-80不等於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。根據工研院測試業界的LED燈泡發現,高達五成以上的LED燈泡,所標示的實際光通量均低於標示值10%以上。

第二是品質參差不齊。目前市場上沒有一套規範能夠說清楚LED燈泡的售價與品質之關係。造成消費者經常拿著「蘋果和橘子」在比較,有些更是花了較高的價格,但並沒有買到品質相對高的產品,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注LED燈具/燈泡的標識和品質的問題。

有鑑於此,經濟部能源局針對LED燈泡也加速節能標章的推動,對這件事情來說,筆者是一則以喜,一則以憂。喜的是至少台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「節能標章基準要求項目」的LED燈泡,真的就有了品質上的保障嗎?

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範,能夠與燈泡壽命扯上一點關係的,應該是屬美國環境保護署/能源之星針對LED燈泡/燈具所發布的LM-80規範了。然而,自從此規範發布之後,在北美已陸續出現了一些不同的聲音,有些可靠性專家們甚至開始呼籲,應該要立即停止以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。

事實上,2006年時,美國能源部固態照明(SSL)品質工作小組,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當時產業技術能力後,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規範的唯一判定依據。但爭議點是,流明維持率等不等於LED燈泡或燈具的壽命(Life Time)? LM-80規範有存在著什麼樣的問題呢?

三、蘋果要跟蘋果比:LED燈具是「電子產品」,不是傳統「燈泡」

LED元件壽命:

基本上LED元件是發光二極體,本就屬電子元件的一種。因此,若要談LED元件的壽命,應該使用已經相當成熟的電子元件加速壽命試驗(ALT)方法,配合取樣數以及數據統計分析等,來評估LED元件壽命。以目前LM-80規範來說,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壽命推估方式發布後,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,可能產生的爭議點是:

1. 在能源之星/LM-80規範中,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,並以流明維持率作為試驗成敗的唯一判斷依據。爭議就在於,如果在6000小時試驗過程中,有LED元件出現不亮或燒毀的情形,均可不列入流明維持率的計算,單單此舉,就已經不符合LED元件壽命計算的要求了。

2. 若要採用LM-80試驗數據做為壽命計算依據也是可行的,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時,即代表LED元件的壽命到了。除了晶粒品質外,包括封裝材料的選擇到打線技術等,都影響到LED元件的壽命與可靠性。因此,對於要執行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。

備註:在執行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險,通常LED元件廠會提高試驗的取樣數量,當試驗過程中有部分LED出現死燈或早夭時,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報告中註明。因此,燈具廠商在閱讀LED供應商所提供的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燈具是由括調光器,電源供應器,發光二極體,光機驅動元件、散熱模組等所組成,這表示整個燈具的壽命,實際上是由數個電子模組串聯或並聯所構成,而每個電子模組都有各自的功能和可靠性水準,當任何一個模組發生問題時,都代表著LED燈具失效了,這點與傳統鎢絲燈泡大不相同,如果我們把LED產品看做電子產品,哪些是構成LED產品失效的主要原因呢?

其實,從一般電子產品的常見失效情形就可以窺出一二。電子產品常見的失效包括散熱設計不良、過載使用、驅動電路故障、電源故障以及零件或製程工藝不良等。只要是會發生在電子產品上的失效情形,基本上都會出現在LED產品上,針對這類型的缺陷,通常可利用電子產品可靠性設計驗證手法,在實驗室被提早發現而加以改善。另一種失效是屬於電氣特性上的失效,若以LED燈具來說,如流明維持率、色溫/色彩變化、電源參數偏移等,針對這類型的缺陷,則利用環境試驗與可靠性證明試驗加以驗證即可。因此,從過去在電子產品在可靠性上的經驗來看,LED產品也應遵循著傳統的電子產品環境與可靠性試驗模式,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燈具故障數據並不是一件容易的事,近兩年來比較大規模的數據,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路燈失效數據統計中得知,電源與控制驅動模組失效佔59%,散熱不良佔31%,LED元件不良約佔10%。這是以美國設計與封裝技術能力的產品,並針對戶外用LED路燈實際所觀測的數據,從數據中可得知電源模組與控制驅動模組所佔的失效比例最大,散熱不良造成失效為第二,加上戶外環境因子較室內環境因子複雜(包括溫度、濕度、雨水/結露、灰塵、硫化腐蝕、雷擊、電源變動等)。因此,對戶外用LED產品來說,環境模擬試驗與壽命試驗更形重要,而不僅僅是節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,並將此標準訂定於買賣合約中。(如LED LM-80報告,模組可靠性試驗、EMC、安規等報告)。
2. 建立LED成品可靠性設計驗證計畫,並於產品雛型階段執行設計驗證,這絕對是LED產品可靠性的關鍵所在。
3. 建立一套LED燈具之環境模擬與壽命加速試驗規範等。

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,一定有助於全球市場的開拓。
2.執行LM-80試驗前,必須先進行可靠性資格試驗(Reliability Qualification Test),以確認封裝品質與電器性能有無缺陷存在,亦可避免在LM-80試驗途中出現失效,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,可提高取樣數量,在以總試驗數量進行MTTF的計算,如可一舉兩得。至於LED元件可靠性資格試驗的項目,則可依循LED元件使用任務需求參考相關規範即可。(如AEC-Q101、JEDEC/JESD22、MIL-STD-883、Telcordia GR 468等)

六、結語

一個產品壽命要好,供應鏈中無人能置身事外,更無須質疑的,符合LM-80的LED元件品質,一定比不符合的來的好。當LED產能嚴重過剩,市場也經常傳來LED企業倒閉的消息,如果還能夠存活下來的公司,「成本」與「品質」將是王道。尋找專業的實驗室給予協助,絕對是提升品質與市場競爭力最快速的方法之一。

【宜特科技可靠度工程處 崔革文撰】

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