LED的壽命，你真正理解了嗎?

程曄

(依古姿妮照明 (中國)有限公司，上海 201401)

1 LED發(fā)展背景

隨著半導體技術的突飛猛進，當日本日亞NICHIA將GaN配合熒光粉專利帶給人類，當LED開始照亮這個世界時，預示著照明行業(yè)的又一次技術浪潮。LED的新技術的誕生，極大地推動了傳統(tǒng)照明行業(yè)，玲瑯滿目的專業(yè)詞匯、技術特性層出不窮，以前可能只有照明行業(yè)專業(yè)人員才知道的術語，現(xiàn)在各行各業(yè)都在研究與關注。市場的推廣更是離不開這些專業(yè)數(shù)據(jù)的宣傳，諸如壽命、顯色指數(shù)、發(fā)光效率、結(jié)溫、光通量等新鮮詞匯紛紛專業(yè)化的映入人們眼簾。其中，尤以LED的超長壽命，從一開始就最為人們所推崇。

傳統(tǒng)光源的壽命主要由燈絲壽命所決定。LED本身的半導體發(fā)光原理，沒有燈絲，決定了其壽命能超長。相比較其他傳統(tǒng)光源幾倍甚至幾十倍的壽命，LED技術成熟后一上來就直指替換傳統(tǒng)照明。加上其本身的低功率，令能源及溫室效應日益緊張的世界找到了節(jié)能減排的又一突破口。在商務宣傳上，我們常?？吹絃ED的投資回報率和替換傳統(tǒng)照明的節(jié)能效果，讓我們的照明行業(yè)又添上了專業(yè)化的市場色彩。

圖1 LED已深入我們生活各個層面

2 LED壽命的困惑

LED的壽命是一切其他優(yōu)勢的保證。最早就有LED壽命是50000小時甚至更高的宣傳。當我們的制造商在大肆宣傳自己的產(chǎn)品有多好、壽命有多長時，我們的終端用戶可能根本感覺不到這方面的對其帶來的優(yōu)勢。究其原因，其一對于這樣的創(chuàng)新產(chǎn)品客戶沒有直觀的使用感受，其二以價格換市場的低劣產(chǎn)品使客戶使用時用不了多久就無法繼續(xù)使用，其三夸大的沒有充分試驗依據(jù)的數(shù)據(jù)讓消費者不敢輕易相信，其四由于其超長壽命是否真的不用替換了嗎?此外，LED原本屬于半導體行業(yè)，加上半導體產(chǎn)品本身特點的對壽命的定義、受各種不同因素的制約以及不斷進步的快速認識，一個全新的領域還沒有標準的統(tǒng)一的認識，讓不僅是普通客戶還是傳統(tǒng)照明行業(yè)的專業(yè)人員都有點云里霧里的感覺。我們的傳統(tǒng)照明制造商選擇什么樣的LED來保證系統(tǒng) (光源、燈具)的壽命呢?如何進行選擇呢?

綜上所述，LED的壽命不再像以前傳統(tǒng)光源那樣簡單的理解，全新的領域還在不斷的探索，概念繁多又缺乏實際感受。本文的目的就是旨在用標準化的視野來解釋LED的壽命，跟蹤國際最新前沿，理清各種關系，不僅幫助使用LED的下游照明企業(yè)懂得如何選擇可靠的LED，制作可靠的系統(tǒng)，也幫助終端消費者在挑選LED產(chǎn)品時不再不知所措。

圖2 LED面臨的困惑

3 傳統(tǒng)光源的壽命及LED光通維持率的有效壽命

在理解與眾不同的LED壽命前，我們先了解一下傳統(tǒng)光源的壽命。傳統(tǒng)光源我們使用已被廣泛接受的方法來測定其額定光源壽命。這些方法已經(jīng)在表1各種標準中予以給出。

表1 各種光源壽命標準

標準中規(guī)定了測試環(huán)境、樣品選擇及測試方法。例如，對于緊湊型熒光燈，標準規(guī)定了樣品須在25℃的環(huán)境中進行測試。一個試驗周期為開燈3小時，關燈20分鐘。當一半光源失效時的時間即為光源的額定平均壽命。

圖3 歐美及我國的標準體系

與LED不同，傳統(tǒng)光源并沒有使用光通維持率來衡量壽命 (下文中會提及LED壽命衡量的方法)。那是什么原因呢?對于鎢絲燈光源，光通損失主要是因為燈絲損耗。一般來說，鎢絲燈在平均額定壽命1000小時內(nèi)，光通損失僅為初始光通量的10%～15%。對于熒光燈，光通損失主要是因為熒光粉涂層及玻璃管的光化學衰減。對于緊湊型熒光燈CFLs在其平均額定壽命10000小時內(nèi)，光通損失不超過初始光通量的20%。對于使用稀土熒光粉的高品質(zhì)燈光T8和T5，在其20000小時的壽命內(nèi)光通量損失不超過5%。

圖4 各種光源的典型光通維持值

而對于LED而言，光衰的可能性根據(jù)制作原理有著各種各樣的原因。例如:驅(qū)動電流、結(jié)溫、熒光粉，透鏡等。由于LED的理論壽命很長，可能需要很多年的測試才能使其“點壞”。而且不像其他傳統(tǒng)光源，即使光衰到50%，它依舊能持續(xù)點亮。但是這時候的光是否還能滿足照明設計的要求呢?因此，照明設計師需要確切的了解其能發(fā)出不低于有效光通的、能滿足他們設計的壽命，而不是其“點壞”的壽命，以精確計算安裝、維護、更換成本和傳統(tǒng)光源做比對。基于以上原因，LED的壽命往往采用光通維持率來計算的有效壽命。

4 LED元件的壽命

4.1 LED的范圍

在給出LED的壽命前，我們要首先把LED的范疇確定下來。我們常聽說的LED實際即包括LED元件component，還包括LED系統(tǒng)system。LED元件就是通常的LED芯片，系統(tǒng)是用戶所用到的LED的終端產(chǎn)品，包括光源、模組、燈具等。下文中請留意其不同區(qū)分。

4.2 LED元件的壽命，L70，L50

壽命的定義:到底什么是壽命?我們需要明確的定義把它規(guī)定下來。由于新技術正處于一個探索的階段，大家都在根據(jù)自己的理解和研究來制定相應的定義?，F(xiàn)對于標準基礎研究的主要有兩大陣營，即歐洲和美國。歐洲標準體系主要以IEC標準為基礎，由國際電工委員會IEC頒發(fā)。美國LED標準體系相對比較復雜。分別由北美照明學會IES、美國國家標準局NEMA以及美國保險商實驗室UL掌管不同的標準。具體區(qū)別見下圖。我國GB標準則一直沿用歐洲標準體系。

根據(jù)IEC62504(GB/T24826) 《普通照明用LED和LED模塊術語和定義》中的規(guī)定，

2.37

壽命 life

一只成品LED燈 (模塊)從燃點至“燒毀”或LED燈 (模塊)工作至低于本標準中所規(guī)定的壽命性能的任一要求時的累計時間。

2.38

平均壽命 (50%的燈失效時的壽命)average life(life to 50%failures)

LED燈 (模塊)的光通維持率達到本標準的要求并能繼續(xù)燃點至50%的LED燈 (模塊)達到單只LED燈 (模塊)壽命時的累計時間。

根據(jù)IESLM－80《MeasuringLumen Maintenance of LED Light Sources》中的規(guī)定，

3.6 Rated Lumen Maintenance Life，(Lp)

The elapsed operating time over which the LED light source will maintain the percentage，p，of its initial light output e.g.

IEC標準給出了從傳統(tǒng)意義上講的壽命的概念，與傳統(tǒng)光源壽命標準統(tǒng)一，但是由于LED的長壽命和新技術，加上LED技術的日新月異，從操作性上很難來實現(xiàn)。

IES標準將壽命與光通維持率聯(lián)系起來，給出了一個新的對于壽命的理解。在之后我們會看到，利用這個數(shù)據(jù)我們能根據(jù)現(xiàn)有一段時間的數(shù)據(jù)來推測出LED的真正壽命。所以從某種程度上說，這里給出的額定光通維持壽命可以理解為LED的有效壽命(Useful life)。

表2 兩種標準體系對壽命理解的異同點

但這個標準只規(guī)定了LED元件的壽命，并不是LED系統(tǒng)壽命的規(guī)定。從此標準的出處可以看出，此標準是參考了ASSIST推薦的《LED Life for General Lighting:Definition of Life》一文。ASSIST=the Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies，a group LED by the Lighting Research Center at Rensselaer Polytechnic Institute in Troy，New York.即半導體照明系統(tǒng)和技術聯(lián)盟，是由Rensselaer大學的照明研究中心發(fā)起的一個LED組織。

圖5 ASSIST組織

根據(jù)ASSIST，它就把流明維持壽命定義為壽命。而且此壽命定義適用于LED元件及系統(tǒng)。此外，它還規(guī)定了壽命期間的光色漂移特性，不能超過4 MacAdam橢圓。

從美國標準來看，它將壽命與光通維持率聯(lián)系起來。通過光衰到70%或50%的壽命來判定LED本身的壽命。這段時間相對于至失效時的時間來說較短，比較好操作，在LED更新?lián)Q代時也縮短了研發(fā)試驗的時間。越來越多的LED制造企業(yè)也開始采用L70，L50來標稱LED的壽命。

根據(jù)ASSIST的研究成果，在普通辦公室照明中，只要照明水平不低于初始值的70%，其變化是不會被察覺出來的，特別是這種變化是逐漸的。所以使用L70來作為普通辦公室照明的有效壽命。對于裝飾和重點照明，ASSIST推薦使用L50來作為有效壽命。所以L70和L50數(shù)據(jù)是兩個重要的數(shù)據(jù)，涵蓋了大部分照明應用。

4.3 B50，B10

在實際操作過程中，我們發(fā)現(xiàn)在批量樣品進行L70，L50測試時，由于工藝、材料等一系列因素造成LED個別個體之間存在差異性及不同的可靠性，例如光通維持率極低或損壞。考慮到實際可能的次品率，ASSIST又引入了B50，B10的概念。

表3 各種光源的壽命

B后面跟的數(shù)值表示為經(jīng)過計算LED光通量低于“L”表示的百分比或者損壞的比率。通過Bxx Lxx的組合來表示LED的壽命。

B50 L70表示為此壽命下的LED的光通維持率不低于70%，且經(jīng)過計算有50%的LED的光通量低于70%或者損壞。

圖6 B50L70和B10L70示意圖

B10 L70表示為此壽命下的LED的光通維持率不低于70%，且經(jīng)過計算有10%的LED的光通量低于70%或者損壞。

4.4 TM－21

以上Bxx Lxx的壽命表示法都是基于一定的試驗數(shù)據(jù)和公式推導。但都不是實際測試的壽命?，F(xiàn)在的問題是，在根據(jù)LM－80的測試數(shù)據(jù)和L70、L50數(shù)據(jù)之間有一個障礙。如何根據(jù)已有的光通維持率和測試時間的關系來預測LED的有效壽命呢?因為在實際的項目中，照明設計師、建筑師、業(yè)主和承包商在評估和使用LED照明產(chǎn)品時，就和其他傳統(tǒng)照明產(chǎn)品一樣，他們想要知道這些LED照明產(chǎn)品能使用多久。也就是說，他們想要知道需要多久這個產(chǎn)品的光輸出會低到需要更換的程度，已滿足照明設計的需求，因為LED的光通維持及長壽命的特殊性，已不再是燈壞了才需要更換。LED光衰到一定程度，它依然能持續(xù)發(fā)光，而不是我們通常理解的立即損壞?？赡艽藭rLED并不像傳統(tǒng)光源已經(jīng)損壞，但是它的光通量已不能滿足照明設計的要求。設計師們需要了解這樣的壽命。這樣就需要想出一種可操作的方法來推測出LED的壽命。由于已有了根據(jù)LM－80規(guī)定的光通維持率的數(shù)據(jù)，順著思路就想根據(jù)LM－80數(shù)據(jù)能否推導出LED的最終壽命，也就是說新方法是已有LM－80的延伸，從而很好的配合了已有的標準?；谝陨显颍琁ES Techincal Memorandum各專家們正在積極尋找方法以發(fā)布在TM－21標準上。但在TM－21公布之前，LED制造廠商如果宣稱他們L70、L50數(shù)據(jù)是符合LM－80的話，唯一的辦法只能通過長時間的試驗。如果以典型的LED的L70的數(shù)據(jù)50000小時來衡量，此試驗也至少需要5年。但這LED技術更新?lián)Q代如此之快以至于一切都是不切合實際的。雖然專家們?yōu)榇艘压ぷ髁?年多，但文件還未正式完成。究其原因，由于LED技術不同、光衰原理不同，用短時間的測試 (如根據(jù)LM－80規(guī)定的6000h測試數(shù)據(jù))來預測其設計壽命是不可靠的，所以尋找一種標準化方法來預測LED流明維持不是一件簡單的任務。

為了搞清楚TM－21，首先要搞清楚TM－21的范圍。首先，同LM－80所約束的范圍一樣，TM－21的范圍也是針對LED元件產(chǎn)品。其次，TM－21是根據(jù)IES LM－80測試所得的數(shù)據(jù)來推測長期的光通維持率。

一般來說，通過應用測試數(shù)據(jù)可以有兩種方法來預測LED光通維持率。一種是工程方法，一種是數(shù)學方法。

對于工程方法，起初應確定光衰原因，例如是LED芯片老化、透鏡或熒光粉層的衰退或者是結(jié)構(gòu)變化。一般可以通過LED加速壽命試驗，如在高溫、高濕或更大電流的情況下，來判定這些衰退原因。然后要依據(jù)專家的專業(yè)經(jīng)驗及測試數(shù)據(jù)來建立相對應的數(shù)學模型。

圖7 某LED制造商根據(jù)TM－21推導的壽命

對于數(shù)學方法，其實是一種統(tǒng)計方法，完全基于已有數(shù)據(jù)的本身，根據(jù)已有一系列數(shù)據(jù)來形成數(shù)學公式來外推預測趨勢。兩種方法各有利弊，TM－21標準的制作者們也處在十字路口。

但從已有的資料上看，有一點可以確定的是，TM－21規(guī)定了LED推導出來的壽命不得長于6倍的LM－80測試時間。推導的時間用Lp(Yk)的形式來表示。P為流明維持率，Y為LM－80數(shù)據(jù)獲得時間 (單位kh)。例如:L70(10k)

前面我們提到的無論是LM－80還TM－21都是關于LED元件壽命的標準。但是對于最終產(chǎn)品的LED系統(tǒng)來說，還是有待于進一步的工作來解答。

圖8 美國與歐洲關于LED壽命的標準體系

4.5 LED的壽命與溫度

正如我們所知，LED的壽命跟溫度也有著密切關系。LED的結(jié)溫是其性能的重要指標。根據(jù)LM－80，制造商的測試溫度為同一驅(qū)動電流下3種Ts溫度 (Ts是指制造商規(guī)定的在LED封轉(zhuǎn)上能用熱電偶來測試的溫度)，即55℃，85℃，以及制造商根據(jù)可能的應用情況自己確定的溫度。然后根據(jù)TM－21來推出各種Ts溫度下的壽命。

圖9 某LED制造商產(chǎn)品溫度與光通量的關系

圖10 某LED制造商不同溫度下根據(jù)TM－21推導出的壽命

5 LED系統(tǒng)的可靠性和壽命

LED照明系統(tǒng)真正的可靠性和壽命還不是通常為人們所知的。更糟糕的是，我們常常把LED元件的光通維持率作為LED系統(tǒng)的壽命。LED元件的光通維持率只是LED系統(tǒng)可靠的部件之一。事實上，好的設計和制造的LED照明系統(tǒng)的壽命并不是由LED的光衰所決定的。制造商需要記錄失敗的案例并開發(fā)好的產(chǎn)品以評估失敗的原理。

關于LED燈具的壽命，美國能源部DOE及下一代照明產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟于2011年6月發(fā)布了最新的《LED燈具壽命:測試及報告推薦》。LED照明系統(tǒng)，例如燈具或光源，通常包含許多相互關聯(lián)的零部件和子系統(tǒng)，每一個都有其不同的壽命和可靠性。一般不可能直接用它們最差的或者最好的值，而需要把它們當作整體來進行評估以考慮他們之間的相互影響。

對于LED系統(tǒng)來說，光輸出不足不再是唯一的系統(tǒng)需要被更換的原因。還需要考慮光色漂移和一些LED損壞時光分布的變化。根據(jù)LM－80，它指出了顏色的重要性，并且要求在測試報告應給出在測試時間時的色漂移。但可惜的是，目前為止還不能提出一個有效的方法來推測壽命期間的色漂移。

圖11 LED在壽命期間的色漂移

你可以在設計時選用的零部件有著和LED一樣的長壽命，但這往往不是最經(jīng)濟有效的。一個系統(tǒng)長壽命設計的可行性目標是要在數(shù)據(jù)可能性及成本之間找到一種平衡。也就是在合理的成本下，設計的系統(tǒng)在預期壽命中有可接受范圍內(nèi)的失效率。可靠性和壽命是LED系統(tǒng)有效壽命的兩個重要衡量標準。

根據(jù)IEEE國際電工委員會的定義，可靠性是指在所述環(huán)境及標稱的時間下，系統(tǒng)或零部件能夠完成所要求功能的一種能力?？煽啃允桥c額定使用壽命期內(nèi)在其額定條件下運行的產(chǎn)品故障率相關的一個概念。通常表達可靠性的方法是MTBF(Mean Time Between Failures)，即產(chǎn)品的平均無故障時間。是衡量一個產(chǎn)品 (尤其是電器產(chǎn)品)的可靠性指標。單位為“小時”。它反映了產(chǎn)品的時間質(zhì)量，是體現(xiàn)產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)保持功能的一種能力。具體來說，是指相鄰兩次故障之間的平均工作時間，也稱為平均故障間隔。

對于電子產(chǎn)品，系統(tǒng)的性能表現(xiàn)在初始階段會有一個較高失效率 (即infant mortality)，接著進入長時間低隨機失效率的使用階段，最后達到耗損期，失效率急劇上升。下圖顯示了眾所周知的“浴盆曲線 bathtub curve”。

圖12 浴盆曲線

對于LED照明系統(tǒng)，主要有以下3個方面影響可靠性:

設計缺陷:主要包括差的熱管理、使用了會使透鏡或芯片光衰的不匹配的化學物質(zhì)、差的LED驅(qū)動、芯片過載、會使水汽滲入的不良封裝等。

制造缺陷:這種缺陷是無法消除的，并主要在早期失效發(fā)生，特別是隨著產(chǎn)量加大時容易發(fā)生。制造商可以通過工廠測試及老化等方法來減少這種缺陷。

壽終:系統(tǒng)中一些關鍵元器件的失效會導致其無法再使用。我們需要選擇合適的零部件并且來合理預估系統(tǒng)的壽命。

圖13 LED的可靠性管理

基于以上原因，此文件推薦對LED燈具產(chǎn)品根據(jù)LM－79做全項目使用用于確認LED燈具的壽命。

對于設計缺陷，推薦使用壓力測試方法作為有效的方法來確定設計缺陷和制造缺陷。基于美國CALiPER項目的經(jīng)驗，推薦至少燃點1000h用以驗證新開發(fā)產(chǎn)品無嚴重的、立刻顯而易見的缺陷。

CALiPER:

如果通過觀察長時間光衰的方法來確定和評估LED燈具的壽命是非常復雜。與此同時，當人們越來越意識到LED系統(tǒng)壽命的短板在于LED的控制裝置。影響控制裝置壽命的主要是其使用的電解電容的壽命。電容中的電解液會隨著工作溫度及工作時間不同程度的揮發(fā)，而電容紋波電流也會影響壽命。雖然電解電容可能各有不同，不同廠家或不同的元件型號，但一個典型的電解電容器的壽命一般可以采用以下公式來表示 ［1］:

式中 Lx——壽命計算的結(jié)果;

k——由電容的RMS紋波電流和工作電壓決定的系數(shù)，可以是一個值或一個函數(shù);

L0——電容生產(chǎn)廠家提供的在規(guī)定標準條件的壽命數(shù)據(jù);

Ts——電容生產(chǎn)廠家提供的在規(guī)定標準條件的電容器表面溫度;

Ta——目標工作情況下電容器表面溫度。

可見，電容溫度升高10度，壽命降低一半。

從圖9中可以看出該照明系統(tǒng)，光輸出減少到原先80%之前是因為LED，接著由于LED驅(qū)動的快速失效導致光衰加劇。

圖14 LED燈具失效可能性與LED及驅(qū)動的關系

為了考察這部分，2010年6月在芬蘭赫爾辛基召開的IEC TC34工作組會議上，美國代表對LED照明燈具的壽命提出了L70加F5的方案，即在LED照明燈具光衰達到70%的有效使用壽命期間，失效率應該不高于5%。

基于多方面的原因，要給出LED燈具產(chǎn)品的壽命是很難的。然而，與此同時，消費者需要了解其壽命，對影響交易的能效、維護成本、初始投資等因素做出一個計算，然后在考慮是否購買LED產(chǎn)品要給出一個明智的決定。為了兼顧現(xiàn)實的需求及困難，DOE及NGLIA推薦LED系統(tǒng)的標準壽命只考慮光通量，定義其半數(shù)產(chǎn)品的光輸出低于70%初始光輸出的時間為其壽命即L70 B50，若考慮到LED電器驅(qū)動的損壞還需增加Fxx的概念。同時還指出所提供的壽命必須有足夠的測試精度與樣品已至少提供50%的可信程度。但鑒于測試的昂貴及費時，企業(yè)可以提出“擔保時間”來代替“壽命”。

綜上所述，本文根據(jù)現(xiàn)在人們對LED的理解和標準發(fā)展情況，討論了LED元件及LED系統(tǒng)的壽命，希望對廣大傳統(tǒng)照明行業(yè)的制造商有所啟示與幫助。

［1］ASSIST.LED Life for General Lighting:Definition of Life.Volume1，Issue 1 February 2005

［2］DOE，NGLIA，Led Luminaire Lifetime:Recommendations for Testing and Reporting，second edition，June 2011

［3］Jianzhong Jiao.TM － 21 seeks methods for lumenmaintenance prediction.LEDs magazine，F(xiàn)ebruary 2011

［4］Philips Color Kinetics.Useful Life，Technical Brief

［5］IES LM －80－08.Approved Method: Measuring LumenMaintenance of LED Light Sources.IESNA