基于FMECA方法的LED燈具可靠性分析

湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院 李婳婧 聶 磊 黃 飛

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基于FMECA方法的LED燈具可靠性分析

湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院 李婳婧 聶 磊 黃 飛

【摘要】基于FMECA方法，對LED燈具進行了可靠性分析。以LED燈具可靠性試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對LED燈具進行了層次劃分，掌握了子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能及其相互之間的可靠性關(guān)系；建立了FMECA分析表格，從而得到了系統(tǒng)潛在失效形式、主要薄弱環(huán)節(jié)和危害度的相關(guān)數(shù)據(jù)。提出可能采取的預(yù)防方案及改正措施，并對LED燈具進行定性和定量的可靠分析，最終為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性提出了建議。

【關(guān)鍵詞】LED燈具；FMECA；FMECA分析表；可靠性分析

本文系國家自然科學(xué)基金（51305130），湖北省自然科學(xué)基金（2014CFB178），湖北省教育廳重點項目（D20131407）。

1　引言

隨隨著照明行業(yè)的飛速發(fā)展，LED燈具作為新型固態(tài)冷光源，憑借其體積小、耗電量低、壽命長（壽命是普通熒光燈的10倍）、發(fā)光效率高等特點，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大正[1]。但是，由于其發(fā)展歷史還不長，產(chǎn)品的設(shè)計與工藝缺乏經(jīng)驗積累，市場上不僅沒有健全的可靠性標準和完善的檢驗方法，而且缺乏有效的可靠性檢驗手段對燈具的質(zhì)量進行把關(guān)，導(dǎo)致LED燈具可靠性較低，使得廣大生產(chǎn)企業(yè)對大規(guī)模投產(chǎn)LED燈具心存疑慮，這也嚴重阻礙了LED燈具發(fā)展和應(yīng)用[2-3]。

大多數(shù)的研究都集中在對LED燈具的封裝進行加速壽命試驗并分析燈具的壽命和失效模式[4-5],鮮有對LED燈具系統(tǒng)進行全面的FMECA分析。本課題就是通過對LED燈具系統(tǒng)及其所包含的主要子系統(tǒng)進行FMECA，找出潛在的失效形式，判斷薄弱環(huán)節(jié)，確定主要故障的發(fā)生概率和嚴重程度，提出可能采取的預(yù)防及改正措施，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。FMECA分析方法不僅在設(shè)計中可用于對系統(tǒng)可靠性的預(yù)測和評定，還可以用于對設(shè)計、制造和維修中問題原因的分析和尋找[6-7]。進而縮短項目時間、降低項目成本和風(fēng)險。所以開展失效模式研究和分析為提高公司產(chǎn)品的質(zhì)量，為產(chǎn)品可靠性設(shè)計提供有關(guān)信息和歷史資料，都有著深遠的社會效益和經(jīng)濟效益。

2　FMECA方法分析

2.1FMECA方法

故障模式影響及危害性分析（Failure Mode ,Effects and Criticality Analysis，簡記為FMECA）方法作為一種“自上而下”的邏輯分析方法，分為故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA）兩個部分，是可靠性分析技術(shù)的主要方法。FMECA主要分析產(chǎn)品中每個組件的潛在故障，通過分析和計算危害性，可以分辨故障的嚴重程度，從而對產(chǎn)品日后的維修使用和機構(gòu)的優(yōu)化升級，提高可靠的理論支持[8-9]。特別是針對LED燈具這種新型的、不穩(wěn)定的、運用廣泛的電子產(chǎn)品，運用FMECA方法，可以全面的對LED燈具進行定量的可靠性分析。

2.2研究對象及其功能結(jié)構(gòu)分析

LED（Light Emitting Diode）發(fā)光二極管是一種固態(tài)的半導(dǎo)體元件。某公司提供的LED燈具樣品實物結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由于LED燈具相對其他普通燈具結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以對其組成的元器件、部件和自制組件失效原因進行分析是一項非常困難的工作。如對每一個元器件均進行失效模式分析，需要統(tǒng)計和收集大量的原始資料和信息，工作量大且效率較低。因此本文將LED燈具分成3子系統(tǒng)：LED封裝子系統(tǒng)，驅(qū)動電路板系統(tǒng)和燈體。僅對關(guān)鍵的和問題多的元器件進行失效模式研究及影響的重點分析，這樣既簡化分析內(nèi)容，又抓住了主要矛盾，為解決設(shè)計、生產(chǎn)、使用或維修中的主要問題提供理論依據(jù)。

通過子系統(tǒng)劃分，我們發(fā)現(xiàn)子系統(tǒng)內(nèi)各部件既相互控制和影響又協(xié)同工作。在進行可靠性分析前，通過互相連接的框圖不僅可以反應(yīng)各部件之間的功能關(guān)系，還可以用來顯示系統(tǒng)的失效邏輯，分析系統(tǒng)中每一個成分的失效率對系統(tǒng)的影響，以幫助評估系統(tǒng)的整體可靠性。根據(jù)LED結(jié)構(gòu)特點分析，發(fā)現(xiàn)LED燈具三個子系統(tǒng)為串聯(lián)，也就是無亂哪個子系統(tǒng)失效都會引發(fā)LED燈具系統(tǒng)失效，因此在分析整燈可靠性之前，應(yīng)該先對每個子系統(tǒng)進行分析。LED燈具的可靠性方框圖如圖2所示。

圖1　LED燈具實物圖

圖2　LED燈具的可靠性方框圖

3　FMECA表格的設(shè)計與分析

綜合研究相關(guān)資料，結(jié)合產(chǎn)品的實際情況和前期可靠性試驗，設(shè)計并完成了FMECA分析表。建立QC小組，針對對每種故障模式和每個部件，進行RPN風(fēng)險等級評估。對風(fēng)險優(yōu)先數(shù)較高的部件，依照故障原因，提出糾正措施和優(yōu)化方案。從而消除或控制潛在的失效模式，減少產(chǎn)品的不合格率，提高產(chǎn)品可靠性[11]。根據(jù)《裝備研制與生產(chǎn)的可靠性通用大綱》實施指南和中華人民共和國國家軍用標準GJB1391-92[12]，繪制的LED燈具的FMECA表格，見附件1。對FMECA表進行分析，得出發(fā)生故障的主要失效模式為硅膠的性能退化、熒光粉碳化、驅(qū)動電路板燒壞產(chǎn)生空洞或斷裂。

單獨對元器件進行分析，可以清楚的發(fā)現(xiàn)LED封裝里的硅膠和LED驅(qū)動電路板中的驅(qū)動電路板，這2個部件危險優(yōu)先數(shù)較高，是影響LED燈具系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵；此外，熒光粉、電容和驅(qū)也是燈具的薄弱環(huán)節(jié)。它們的故障模式，故障原因和對燈具的影響各不相同。

附件1：　LED燈具的FMECA分析表

4　結(jié)論

本文運用FMECA方法對LED燈具進行了定性和定量的可靠性分析，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合每種故障模式的發(fā)生概率和嚴酷程度，找出了LED燈具的薄弱環(huán)節(jié)，提出了相關(guān)的預(yù)防與改進措施。從而使得產(chǎn)品的可靠性得到一定程度的提高。具體結(jié)論如下：

1）不同的部件由于結(jié)構(gòu)差異和功能迥異，在工作中會產(chǎn)生各種故障模式，不同的故障模式也會對產(chǎn)品帶來不同程度的影響。通過FMECA對產(chǎn)品潛在的每一種故障模式進行分析，根據(jù)危險優(yōu)先系數(shù)對部件進行定量的可靠性分析。

2）硅膠的性能退化、熒光粉碳化、驅(qū)動電路板燒壞和元器件脫落（熒光粉脫落、電容脫落）為主要的故障模式；LED封裝里的硅膠和LED驅(qū)動電路板中的驅(qū)動電路板，這2個部件危險優(yōu)先數(shù)較高，是影響LED燈具系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵部件。

3）材料疲勞老化導(dǎo)致電子元器件提前失效也是故障多發(fā)原因，應(yīng)加強對外購件和自制件的質(zhì)量監(jiān)督，加強裝配前檢測的力度。

FMECA分析表中危險優(yōu)先系數(shù)和改進措施，可以作為LED燈具結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料選擇的理論基礎(chǔ)，為LED燈具質(zhì)量和可靠性的提高提供寶貴經(jīng)驗。

參考文獻

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[11]周海京,遇今,故障模式、影響及危害性分析與故障樹分析[M].航空工業(yè)出版社,2003:1-167.

[12]GJB1391-92，中華人民共和國國家軍標[S].

李婳婧（1990—），湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生在讀。

通訊作者：聶磊。

作者簡介：