蒋春旭 王 深 许少辉 徐华伟

(工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610)

1 前言

目前，LED室内照明产品的光通维持率及寿命的评价方法，主要依据传统照明产品如白炽灯、荧光灯、卤素灯等的试验方法，通过在室温下进行常规老化及监测，来评测产品寿命。由于传统照明光源产品的老化机理相对明确，如钨丝或者灯丝的消耗，而且短时间内衰减的效果较为明显，衰减趋势也接近线性，所以可以在短时间内评测出产品寿命。

但LED不同，在室温下进行常规老化，多数情况下，在初始2000h内，其光输出仍处于上升曲线，而且在6000h时的光通维持率也并未下降的太明显，一般维持在98%左右。同时，根据行业研究结果显示，LED芯片或模组在5000h～10000h时间段内的光衰曲线与10000h～15000h时间段内的光衰曲线也表现得不一致，这就给通过常规老化进行寿命预估带来了极大的困难。即通过常规老化进行LED的寿命预估，至少需要15000h左右才能得出相对准确试验数据。

通过施加高温应力，可以加快LED产品的老化速度，缩短LED寿命评估的时间。考虑到LED产品的单失效机理特性，目前加速老化评测寿命的试验方法针对的对象主要是LED芯片或者LED模组，不含其他电子元器件。然而，在壳温为55℃和85℃下进行加速试验，6000h条件下，LED的光衰减也并不明显，多数情况下，光通维持率也只降低至93%左右，且55℃与85℃数据用于寿命评测时的数学关联度也并不算是太可靠。

因此，通过研究重大缺陷快速评估方法，将LED产品视为整体系统，不评估其可靠性有多强，而是评估可靠性有多差。重大缺陷快速评估方法可以在较短时间 (1000h)内对LED产品进行质量可靠性进行评估和筛选，相对而言，更适合半导体照明行业的发展和需求。

2 LED照明产品的重大缺陷介绍

与人和动物一样，LED照明产品的短寿命，最主要的原因在于其生有“大病”，即存在着“重大缺陷”。这些潜在的重大缺陷，虽然在LED照明产品投入使用初始阶段，并不影响其正常工作，但持续一段时间后，缺陷被激发，继而导致整灯失效。一般情况下，此类失效会在2～6个月内被激发。

LED照明产品存在的重大缺陷，总体上可以归为两类:

2.1 设计缺陷

这类缺陷的产生，最主要是由于设计不当，设计时预留的余量不足，无法支撑LED灯长时间工作。与寿命相关的设计缺陷，常见的包括控制装置的输出规格与光源模组的规格匹配、驱动IC的设计、元器件的选型、电路保护、散热设计等。

2.2 制造缺陷

制造缺陷也称工艺缺陷，源于在制造过程中的工艺缺陷造成，如焊点缺陷、IP防护性缺陷等。这些缺陷与设计无关，而是由于工人或者生产线在生产过程中疏忽造成。

正常情况下，设计缺陷和制造缺陷只能尽可能降低，而不能完全消除。设计缺陷和制造缺陷的存在，是LED照明产品早期失效率较高的根本原因。在电子产品行业中，描述产品失效率在寿命周期内变化规律的“浴盆曲线”，已得到普遍的认知。

电子产品从投入使用至寿命终了整个周期内，其可靠性的变化呈现一定的规律。以产品的失效率作为产品的可靠性特征值，以使用时间为横坐标，以失效率为纵坐标，寿命期间内失效率随使用时间的变化曲线类似于浴盆，故称“浴盆曲线”，见图1。

图1 浴盆曲线Fig.1 Bathtub curve

浴盆曲线分为三个阶段，分别为早期故障期，偶发故障期，耗损故障期。从图1中可见，早期故障期内失效率较高，但随着产品工作时间的增加，失效率迅速降低，这一阶段的失效产生的原因，多数是源于设计、原材料或制造过程中的缺陷造成的。偶发故障期也称随机失效期，这阶段内，产品失效率较低并且比较稳定，往往可以视为常数，产品计算MTBF及产品可靠度时使用的失效率，就采用这一阶段的值。这阶段内，产品性能稳定，偶发失效的原因主要是质量缺陷、材料弱点或者是环境及使用不当等因素所导致。而到了耗损故障期，产品的失效率随时间急速增加，这主要是由于产品磨损、疲劳、老化及材料消耗等原因引起。

上述浴盆曲线的三个阶段，适用于大多数领域，包括LED照明。从大量工程数据得到的信息，照明工程在亮灯前期，大概在2～6个月内，往往是LED灯失效率的高发期，在过了这段时间后，坏灯的情况则明显下降。

相对于偶发故障期失效，早期故障期内的失效(以下称早期失效)问题一般在短时间内暴露，且问题更容易发现，解决的代价也较低。对LED灯的重大缺陷进行总结和归纳，有利于发现引发早期失效的原因，规避设计的不合理以及消除制造工艺缺陷，尽可能降低产品的早期失效率，从而提高批次样品的整体可靠性水平。

3 LED照明产品重大缺陷快速评估方法

3.1 重大缺陷快速评估方法的思路

重大缺陷快速评估试验方法，是通过对大批量LED产品的失效数据调研，分析LED产品的使用环境条件及失效产生的原因而进行针对性设定。为了能在较短时间内激发LED灯存在的缺陷，须通过提高试验应力，但试验应力不应超过产品的工作极限。

试验方法包括快速温度循环 (或者温度冲击)、随机振动、交变湿热、早期可靠性保障等四部分。

大多数电子产品的元器件和材料，都是温度敏感器件，温度的变化，会引起热胀冷缩。LED灯各部位、各类元件的热胀冷缩系数不同，当温度变化速率较快时，容易造成电气连接部位的拉伸和开裂，产生潜在裂纹甚至电气连接层脱离。上、下限温度越严酷，温变速率越快，则试验效果越明显。

在快速温度变化 (或者温度冲击)试验后，随即进行随机振动试验，潜在的电气连接缺陷得以进一步激发，对电源板上部分体积选择不合理的元器件，甚至会破坏其脆弱的机械连接性，导致焊脚脱落或断裂。对于一些不可靠的焊接方式，如虚焊、搭焊，通过试验也可以激发其缺陷。

振动试验后，施加交变湿热试验。前两步试验后，部分LED灯的内部元器件及电路板的焊脚可能已经产生微裂纹，但表面上显示出其仍可正常工作。此时接着进行交变湿热试验，温度和湿度交替变化，当温度变化时，在灯体内产生一定的“呼吸效应”，加剧湿气进入灯体内部，吸附在元器件和焊脚上，并沿着焊接裂纹蔓延，最终导致元器件短路并引发LED灯的失效。

前面三步试验仍未出现失效的样品，在制造工艺上已具备较好的水平，而设计上是否存在缺陷，则通过早期可靠性保障试验考核。早期可靠性试验条件主体为高温高湿条件，试验样品同时施加开关通断。这部分试验的目的在于，从系统到器件层面，全面考量LED灯的耐久性能。高温条件的设定，在不超过器件设计极限情况下，虽说不能使得各类元器件如电容器件、半导体器件有效的达到其额定寿命水平，但在加速应力试验周期内，具有合格质量水平的元器件能维持正常工作，仍是可以保障的。

3.2 重大缺陷快速评估试验方法

试验方法包括快速温度循环、随机振动、交变湿热、早期可靠性保障等试验。

3.2.1 试验样品的选择

试验的样品须具有批次特征，能代表母体的整体水平。如果试验样品经过老化并剔除早期失效，则试验结果则没有代表性。

用于可靠性试验评定的样品应从经过初步筛选步骤的至少一个批次的样品中随机抽取。评定试验规定的LTPD值一般是10或20，对应的样品数量是22或11。在LTPD值等于10时，如果在最初的22个样品中发现一只不合格的灯具，第二次应抽取16只样品进行试验。如果在第二次抽取的样品中没有不合格的灯具，可以认为产品中的38个样品有一只不合格，通过了LTPD为10%的标准。同样，LTPD值为20时，如果在最初的11个样品中发现一只不合格的灯具，第二次应抽取7只样品进行试验。如果发现另外的不合格的灯具，就符合LTPD为20%的标准。抽样方案见表1。

表1 LTPD抽样方案Table 1 LTPD sampling plan

3.2.2 试验的失效判据

重大缺陷快速评估试验的失效判据，包括以下类型:

a)LED整灯或若干光源出现不亮情况;

b)LED整灯光衰超过6%(该数值为LED芯片按照指数分布工作6000h时的光衰比例);

c)LED整灯出现闪烁现象;

d)LED光源出现荧光粉层脱落现象;

e)LED整灯或若干光源出现明显色温变化现象，即表观发光颜色发生突变，如由“白光”变成“蓝光”等;

由于试验方案采用的是高应力加速试验评价方法，对于试验样品中出现的塑料外壳或类似部件软化变形等现象，一般是因为材料耐热温度低于试验温度造成，因此，这类现象建议不作为失效判定的依据。

3.2.3 试验应力和条件的确定

(1)快速温度循环试验或者温度冲击试验

快速温变试验或者温度冲击试验的上限、下限温度，应通过极限敏感应力试验进行确定。通过高温步进、低温步进试验，确定高低温极限TU、TL，并以极限温度的前一阶温度，作为快速温度循环试验或者温度冲击试验高、低温度的依据 (图2)。

图2 温度步进试验曲线Fig.2 Temperature step test curve

试验时，样品不带电，试验前后进行功能检查。对于LED应用照明产品，考虑到内部常见的元器件类型和规格参数，建议的试验条件为高温为+85℃，低温为－40℃，极限温度下的保持时间，建议为1h或2h，循环次数为10次，温度变化速率至少为10℃ /min(图3)。

图3 快速温度变化试验曲线Fig.3 Temperature shock test curve

(2)随机振动试验

随机振动的试验条件设置，应根据试验目的和需求进行确定。

对于可靠性指标要求非常高，且时效性要求更高的试验，条件应力的选择要求需更加严酷。类似温度步进试验，振动试验前，通过振动步进应力试验，寻找工作极限，并在振动工作极限前一阶应力作为振动条件的依据。

而对于可靠性指标要求一般高且旨在激发潜在缺陷的试验，建议按照统一试验条件进行随机振动试验 (图4)。试验条件如下:

1)工作条件:正常工作状态

2)频率范围:5Hz～200Hz

3)加速度谱密度:0.01g2/Hz

4)加速度总均方根值:1.4 grms

5)试验方向:X、Y、Z三方向 (暂不考虑实际产品可能的结构对称性问题，即任何形式的产品，都必须经受三个互相垂直的方向进行试验)。

6)试验时间:每方向连续进行15min。

(3)交变湿热试验

图4 随机振动试验曲线Fig.4 Random vibration test curve

交变湿热试验条件在设定前，应对试验样品在实际工作时可能处于的工作环境温度和湿度进行调研，并在该环境条件基础上，提高一定的试验条件进行试验，如温度提高10℃，湿度提高20%R.H.。

在每个温度循环的高温阶和低温阶时间，施加数次开关通断操作。对于一般的LED室内照明产品，推荐的试验条件为:

1)工作条件:正常工作状态，每个循环在高温高湿阶段进行一次样品供电通断，断电时间不低于3min，不高于6min。

2)上限温度55℃，低温子循环:－10℃。

3)循环次数:10次。

试验剖面和试验曲线如图5所示:

(4)早期可靠性保障试验

早期可靠性保障试验的条件设置，可参照GJB 899A、GJB 450A标准，推荐采用“85℃/85%R.H.168h”试验条件，试验前，须将电路板上的温度保护电路摘除或旁路，试验过程中，试验样品分2组进行，一组施加开关通断，一组持续工作。

如果采用的元器件额定耐热参数较低，或者样品工作时温升太高，作为备选方案，可以选择“70℃/85%R.H.264h”试验条件。试验条件不建议太低，较低的温度，需要更长的时间才能有效激发出产品的缺陷。

图5 交变湿热试验剖面和试验曲线Fig.5 Alternating temperature humidity test section plane and test curve

在LED照明产品中，较多采用的温度敏感器件包括电解电容，半导体器件等，这两类器件的耐热极限温度一般为125℃和155℃。而在正常工作条件下，电解电容和半导体器件的温升大体在20K和50K左右，即环境温度85℃条件下，两类器件壳体最高温度约为105℃和135℃，距离极限温度留有一定余量。

当然，部分元器件的极限温度也确实较低，这是需要根据实际情况下调相应的试验温度。

4 重大缺陷快速评估方法激发的缺陷类型及其有效性

4.1 LED照明产品在实际使用时的失效模式类型调研情况

LED灯具失效的原因有多种，按照失效部位可以分为光源失效、电源失效两种类型。根据调研情况，在实际应用中，LED灯的失效类型主要有以下几种模式:

4.1.1 光源常见失效模式:

(1)芯片欧姆接触的退化，最终导致触点逐渐开裂甚至脱落;

(2)材料老化致散热效果变差，LED结温逐渐增高从而加速失效;

(3)焊接工艺较差致使焊点易脱落;

(4)静电损伤;

(5)LED硫化;

(6)芯片封装工艺差，易出现如金线断裂、荧光粉脱落等失效;

(7)电击穿。

4.1.2 电源常见失效模式:

(1)雷击失效;

(2)电网波动致使电源整流部件加速老化失效;

(3)焊点脱落;

(4)元器件老化失效，如电解电容、整流桥、变压器等;

(5)元器件引脚短路引起电路烧毁;

(6)电源与光源模组的匹配性差，致使电源工作时电源效率较低，出现电源内部温升高，PFC电路易出现故障，MOS管易失效等情况。

4.2 重大缺陷快速评估方法激发的缺陷类型

按照重大缺陷快速评估试验方法，对大批量LED灯的样品进行试验，试验采用LPD 10%的试验方案的“22只样品/0失效”判据进行。快速温变、随机振动、交变湿热和早期可靠性保障试验的条件采取上文中的推荐试验条件进行。对试验过程中的失效样品进行拆解和分析，我们得出的失效类型总结如下:

(1)焊点脱落;

(2)元器件在潮湿试验条件下引脚短路致使电路板烧毁;

(3)保险丝、变压器、整流桥、电解电容、MOS管等元件失效;

(4)灯珠电击穿;

(5)灯珠内部开路;

(6)材料变形等。

从两部分内容的对比和分析可以看出，重大缺陷快速评估方法试验条件下评价出的LED照明产品的失效模式类型，与常规工作条件下的失效模式，具有较高的吻合性，很多正常条件下出现的失效情况，通过重大缺陷快速评估试验都可以激发和发现。当然，部分失效类型是无法通过这些试验得到激发的，如LED的硫化，静电击穿、电网波动加速损伤等，但除此之外的其他失效类型，都能通过定向可靠性评价试验在短时间内得以激发 (图6～图9)。

图6 电容与功率三极管紧贴导致过热 (设计缺陷)Fig.6 Capacitor clings to triode

图7 潮气进入导致贴片元件短路Fig.7 Short-circuit of SMD components due to humidity

图8 焊点和连接性不可靠Fig.8 Unreliable of solder and wire connections

图9 光源变色和闪烁 (输出电压图)Fig.9 Light color Change and stroboflash

4.3 重大缺陷快速评估方法对LED室内灯的筛选比例

采用LPD 10%“22只样品/0失效”的试验方案，快速温变、随机振动、交变湿热和早期可靠性保障试验的条件采取上文中的推荐试验条件，对4种LED室内照明产品类型的试验结果进行统计，包括LED筒灯、LED射灯 (包含MR16和PAR灯)、LED灯管、LED球泡灯。根据统计结果，不合格率分析如表2所示。

以上试验统计结果可以反应，对于未进行较高IP防护设计的LED照明产品，初级试验中的各种试验应力，都具有较为合理的筛选比例作用。对不同类型的产品，不合格率也有所不同，但LED室内产品的总体不合格率也在46.68%水平。

表2 LED室内照明灯具不合格率统计Table 2 Failure rate statistics of LED indoor lamps

4.4 重大缺陷快速评估试验后未失效的样品寿命表现

将通过上述试验后未失效的样品，随机抽取部分样品，在常温条件下点亮持续工作和监测寿命，至今持续点亮时间已超过7000h，各类型LED灯的失效率情况统计如表3所示。

表3 LED室内灯重大缺陷评估试验后持续点亮7000h失效统计Table 3 Failure rate statistics under 7000h operation of LED indoor lamps after major defects testing

从表3可见，经过重大缺陷评估试验后的样品，在后期持续点亮工作时间段内，失效率极低。相当于，在剔除存在的重大缺陷后，寿命可得到较高的保障，至少在保障7000h寿命的可靠度在95%以上。

5 重大缺陷快速评估方法与LED寿命评价方法的差异和关联

目前现行的国家标准和IEC标准中对LED灯的寿命或可靠性主要集中在，通过数千小时甚至更长时间持续监测光通维持率来对寿命进行预测，并提出了L70或L50寿命值，即以光通维持率降低至70%或50%时的时间为产品寿命。这个思路主要是从美国能源之星引用过来的，参照的是传统照明光源的评价方式。但是，不一样的是，传统照明产品毕竟寿命相对较短，在点燃5000h时已接近寿命终了期，即在“浴盆曲线”的时间轴上已接近进入耗损故障期，因此用这个方法评价传统照明产品，可靠度较高，时间上也相对经济。但LED寿命较长，按照这个思路进行评价，更多的是体现个体的寿命，而代表不了整体的可靠性性能。

因此，加速寿命评价试验方法已经成为国内外LED照明行业研究的热点，同时，这也是个国际难题，困扰着整个半导体照明行业。LED应用产品的寿命，取决于灯系统的短板，这个短板可能是某个元器件，也可能是材料甚至可能是某个焊点。

目前无法去正面证实LED灯的寿命有多长，但通过重大缺陷评估试验，我们可以证实试验样品的寿命有多短。在提出此方案的同时，根据后期跟踪的数据，我们在应用重大缺陷评估试验方案时，还可以提出具有一定可靠度水平的保障寿命值。例如，通过试验的批次样品，至少可以到达7000h寿命，该寿命值具有95%可靠度水平。

［1］张增照.电子产品可靠性预计［M］.北京:科学出版社，2007.

［2］Patrick D.T.O'Connor.实用可靠性工程 (第四版)［M］.北京:电子工业出版社，2004.