如何利用實驗數據有效推估LED壽命?

ENERGY STAR與Lighting Facts之LED壽命解讀報告: LM-80實驗數據及TM-21公式推估方法應用

美國環保署(Environmental Protection Agency, EPA)與能源部(Department of Energy, DOE),自2010年起陸續對LED光源燈具/燈泡發佈能源之星(Energy Star®)及Lighting Facts標準,讓相關業者的LED照明產品規格有所依循,目前國際LED大廠針對LED產品的壽命評估與產品規格,也以此為依歸。也就是說,LED廠商若想打入國際LED照明市場,勢必取得LED能源之星認證這張門票。

在能源之星部份,去年(2011年)7月6日,EPA為了簡化資格審查程式,特別將住宅照明(RLF)及固態照明(SSL Luminaires)兩大型態的燈具規範整合成【ENERGY STAR® Luminaires Program Requirement V1.1】,並訂定今年(2012年)4月1日正式開始實施,此外燈泡的部分也整合成【ENERGY STAR® Program Requirements for Integral LED Lamps V1.4】,兩份規範中除了審核的資料項目增加外,引起較多討論的應該是【LM-82光電特性規範】與【TM-21壽命預估規範】的要求已納入其中。

LM-82目前在北美照明協會(IESNA)尚未正式出版,其內容主要為LED Light Engines及Integrated LED Lamps的電性與光學特性在不同溫度下的特徵驗證方式,其量測方式相似於LM-79-08計畫,但重點為溫度對電/光參數的特徵影響性評估。

另一部分則為IESNA於2011年7月25日出版的TM-21-11 (Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources),此規範主要是針對LED光源表現與壽命進行預測,並與日前所公告的LM-80-08 LED流明維持率實驗進行連結,應用LM-80-08的實驗資料來推估LED元件及燈具/燈泡的長期壽命表現。

一、使用TM-21推估LED燈具壽命步驟

為使LED業者對TM-21有較清晰的概念,並瞭解如何善用TM-21推估LED產品,筆者將以四個程序說明LM-80-08與TM-21-11的應用及推估方式:

步驟一 : LED元件供應商對其LED Source(Package/Array/Module)進行3個溫度(55℃/85℃/自選溫度)至少6,000小時的LM-80-08實驗。

樣品數要求 : (與可推估時間其有關連性)

測試時間要求 : (與推估精準度有連結性)

至少6,000小時,建議為10,000小時,每隔1,000小時需要取得測試之LED光衰資料,間隔時間越短(如:500小時)可提升推估時的準確度。

步驟二 : 依TM-21-11公式推估3個測試溫度(55℃/85℃/自選溫度)的長期壽命資料。

取得各溫度實驗資料平均值,測試資料取出時間規則為:
 

以Exponential Least Squares Curve-Fit(最小平方曲線擬合)取得斜率m(Slope)與截距b(Intercept),計算m與b時若測試時間越長間隔越密集,其精準度將提升,接著計算出B與α數值。

y=mx+b,  B=exp(b),   a=-m

依下列公式計算出各溫度實驗之LED在ENERGY STAR規定之流明維持率70%時的壽命時間數值。

L70 : 當LED流明維持率為70%時的使用時間

以步驟一中樣品數量進行可推估倍數時間之標準判斷:

表示方式為 : L70(6K) = XX,XXX hours

(6K) : LM-80測試時間,(6K)=6,000小時;(10K)=10,000小時

XX,XXX Hours : 樣品≧20ea,測試時間=6,000,可推估6倍為36,000小時

使用Exponential公式計算出各時間之流明維持率,則可以計算出之資料繪出各測試溫度的推估壽命曲線圖:


 

步驟三 : 取得該LED元件置於LED燈具的實地量測溫度(In Situ Temperature)。

請參照ISTMT(In Situ Temperature Measurement Test)測試程式取得LED元件置於LED燈具中的溫度,該測試溫度位置須與LM-80-08的Ts設定位置相同,取出之溫度資料稱為TMPLED(LED Temperature Measurement Point)。

步驟四 : 以測量之TMPLED與TM-21計算之結果進行內插計算,取得TMPLED的推估壽命數值。

從三個測試溫度點中選出包覆TMPLED最近的兩個溫度點作為計算基準點。

計算Arrhenius Model溫度加速參數A並得出Decay Rate:α與定值參數B0。

以上述之公式計算出TMPLED的L70數值,相同程式表示TMPLED之結果。

L70(6K) > XX,XXX hours


 
套入相關時間數值並繪製出TMPLED與三個Ts的壽命推估圖。

二、ENERGY STAR / Lighting Facts對於LED燈具/燈泡的壽命要求

ENERGY STAR在燈具只有兩種規格,燈具廠商可使用整燈點亮6,000Hrs.,或提交元件廠商的6,000Hrs LM-80報告與TM-21推估結果來證實燈具成品的流明維持率,在燈泡部分標準就較為彈性,用途不同則標準會進行微調,如下表:

三、LED照明高度競爭的決勝關鍵:LED品質

照明產品被視為LED的最大商機,然而過去LED價格過高,雖擁有省電環保等優點,但價格仍無法與白熾、省電燈泡競爭。外加前幾年由於未有相關品質驗證標準可循,LED品質良莠不齊(光衰問題、變色問題等),也導致許多負面的使用經驗,也造成LED照明使用量遲遲無法有爆炸性的成長。

不過2012年,LED照明價格的甜蜜點已提前來到,預期接下來兩年,LED需求將大幅翻揚。當LED產品價達消費者可接受之價位,LED廠商能否在這波需求翻揚時刻,在眾廠商中脫穎而出,受消費者親睞,決勝負的關鍵就在於LED的品質與壽命。

目前,美國能源之星已為LED品質提供量化標準,使得LED產業可以有遵循的規範,筆者也將於11月8日在新竹宜特科技與Intertek HK所舉辦的「LED Energy Star 認證流程與可靠度驗證技術研討會」,更進一步的分享能源之星LED的規範內容,並提出經驗分享與因應措施,也歡迎業界先進一同前來交流。

【作者:宜特科技可靠度工程處 曾劭鈞資深經理】

關於作者

曾劭鈞,在可靠度領域10年以上經驗,專精於可靠度設計驗證,目前任職於宜特科技,擔任可靠度工程處資深經理一職。

其任職公司宜特科技成立於1994年,從 IC 線路除錯及修改起步,逐年拓展新服務,包括故障分析、可靠度驗證、材料分析與綠色產品環境管理系統建置輔導等,建構完整驗證與分析工程平台,並提供全方位服務。客戶範圍囊括了產業上游 IC/LED 設計至中下游成品端,扮演品牌公司以及委外製造產品的獨立第三公證實驗室。

宜特科技近三年來,針對LED磊晶(EPI)、封裝至成品,均投入了大量的資源在光學、可靠度與故障分析等工程能力建置上,藉以協助客戶判別LED產品在可靠度試驗前、中、後之光特性參數變化、壽命估算、品質改善等整合型解決方案。2011年,更進一步取得美國國家環境保護局(US Environmental Protection Agency;EPA)在LED LM-80的實驗室認可資格,並提供LED LM-80驗證服務。

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