CN105699058B - 一种led灯具系统可靠性的评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED灯具系统可靠性的评价方法，其特征在于，包含有，步骤S1，提供LED灯具样品；步骤S2，确定所述LED灯具样品的可靠性试验项目类型；步骤S3，确定其对应的试验时间、点灯时间、加速因子及等效点灯时间；步骤S4，得到LED灯具样品的失效率；步骤S5，得到LED灯具样品的可靠度水平，进而得到不同样品数、不同失效次数和不同置信水平对于LED灯具样品关于声称寿命下的可靠度水平曲线；以及，步骤S6，判断企业声称寿命是否可以接受。本发明考虑LED灯具的可靠性试验项目以及试验参数对LED灯具系统的可靠度的影响，为评价LED灯具系统的可靠性提供新的途径。

Description

一种LED灯具系统可靠性的评价方法
技术领域
本发明涉及LED灯具的检测，尤其涉及一种LED灯具系统可靠性的评价方法。
背景技术
随着国家大力倡导节能减排和低碳环保，半导体照明因其本身的技术优势受到越来越多的关注，并且当前全球都进入了“禁白行动”的稳步推动期，所以LED为主体的半导体照明产品将会大行其道。全球半导体照明产品预期市场占有率将在2020年达到60-75％以上，而且随着技术的不断成熟和产品的规模效应，半导体照明产品的价格将会大幅度下降。
然而，日益激烈的市场竞争和同质化引起的价格战造成了产品良莠不齐，如果任由劣质产品流通市场，必将会损害消费者的利益，产品质量参差不齐也会影响LED产业的持续发展。由此可见，质量问题已经是制约LED照明产品普及的关键因素，而LED灯具样品的可靠性问题更是成为了急需解决的共性质量问题。
作为半导体照明的主流终端产品，LED灯具系统比较复杂，包含了材料学、光学、机械、电子和计算机软件等多学科交叉内容。LED灯具系统的主要元部件包括：LED封装器件及模组、电子组件、光学材料、散热系统和结构材料等。要对整个LED灯具系统进行可靠性的评价，就需要对LED灯具建立适当的可靠性试验项目，利用科学合理的方法进行验证。目前有对LED器件进行光通流明维持试验推算其寿命的方法(IES LM-80)，也有对灯具采用光通流明维持试验的(IES LM-84)，但是对整个LED灯具系统来说，缺乏对其可靠性统一的评价方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种新型的LED灯具系统可靠性的评价方法。
为了实现这一目的，本发明的技术方案如下：一种LED灯具系统可靠性的评价方法，包含有，
步骤S1，提供LED灯具样品，LED灯具样品对应有一企业声称寿命；
步骤S2，根据LED灯具样品的产品类型及用途，确定所述LED灯具样品的可靠性试验项目类型；
步骤S3，根据可靠性试验项目类型，确定其对应的试验时间、点灯时间、加速因子及等效点灯时间；
步骤S4，根据LED灯具样品的平均故障时间MTBF与样品数量、等效点灯时间、失效次数和置信水平之间的关系，得到LED灯具样品的失效率；
步骤S5，根据LED灯具样品的可靠度水平、LED灯具样品失效率、声称寿命三者之间的关系，得到LED灯具样品的可靠度水平，进而得到不同样品数、不同失效次数和不同置信水平对于LED灯具样品关于声称寿命下的可靠度水平曲线；以及，
步骤S6，根据可靠度水平曲线对LED灯具样品进行可靠性评价，判断企业声称寿命是否可以接受。
作为一种LED灯具系统可靠性的评价方法的优选方案，可靠性试验项目类型包含有温度循环试验，温度循环试验：
试验温度的低温极端值为-10℃，高温极端值为+50℃，以4小时为一个循环周期，循环次数为250次；进一步地，所述循环周期包含有在高温极端值下的保持时间1小时、由高温极端值逐步至低温极端值的转换时间1小时、在低温极端值下的保持时间1小时及由低温极端值逐步至高温极端值的转换时间1小时；再进一步地，转换时间内的升降温速率为1℃/分钟；
试验时间为1000小时；
点灯时间为500小时；
加速因子为1.44；
等效点灯时间为720小时。
作为一种LED灯具系统可靠性的评价方法的优选方案，可靠性试验项目类型包含有恒定湿热试验，恒定湿热试验：
试验温度为40℃±2℃，相对湿度为93％±2％，以2.25小时为一个循环周期，循环160次，进一步地，所述循环周期包含有在额定工作条件下开启时间1小时及关闭时间1.25小时；
试验时间为360小时；
点灯时间为360小时；
加速因子为20.4；
等效点灯时间为3264小时。
作为一种LED灯具系统可靠性的评价方法的优选方案，可靠性试验项目类型包含有低温启动试验，低温启动试验：
试验温度为产品规定的最低使用温度，以20分钟为一个循环周期，循环次数为300次，进一步地，所述循环周期包含有开启时间1分钟及关闭时间19分钟，试验时间为100小时；
点灯时间为5小时；
加速因子为1；
等效点灯时间为5小时。
作为一种LED灯具系统可靠性的评价方法的优选方案，可靠性试验项目类型包含有电源开关试验，电源开关试验：
以1分钟为一个循环周期，循环次数为小时为单位的额定寿命的一半；进一步地，循环周期包含有在额定工作条件下开启时间30秒及关闭时间30秒；
试验时间为209小时；
点灯时间为105小时；
加速因子为1；
等效点灯时间为105小时。
作为一种LED灯具系统可靠性的评价方法的优选方案，可靠性试验项目类型包含有高温操作试验，高温操作试验：
试验温度为环境温度加上10℃，室内灯具的试验温度不低于40℃；
试验时间为360小时；
点灯时间为360小时；
加速因子为1.68；
等效点灯时间为604.8小时。
与现有技术相比，本发明的优点在于：考虑LED灯具的可靠性试验项目以及试验参数对LED灯具系统的可靠度的影响，为评价LED灯具系统的可靠性提供新的途径，对LED灯具系统可靠性的表征和提高具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明根据所进行的LED灯具系统的可靠性试验项目，推算出来的不同样品数情况下系统可靠度与置信水平之间的关系曲线。其中，实线表示样品数为20个的情况，虚线表示样品数为10的情况，失效次数为0。
图2为本发明推算的LED灯具系统的可靠度与失效次数之间的关系曲线。其中，置信水平设置为60％，样品数为20个。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
取LED室内照明灯具为例，防护等级为IP20，企业对产品的声称寿命为25000小时，LED灯具系统的置信水平取值60％～99％，失效次数取0～4次。
具体实施步骤如下：
1、对于LED室内灯具，确定要进行的可靠性试验项目包括：温度循环试验、恒定湿热试验、低温启动试验、电源开关试验和高温操作试验。具体的试验条件参考相应的LED灯具可靠性试验方法标准文件。其中，每个试验项目结束后，都要对LED灯具样品进行合格判定，样品要标贴完整，没有明显的损坏，而且每个试验项目结束后测量LED灯具的光通量，相对于初始光通量的变化不应超过10％。
2、对于LED室内灯具，要确定每个可靠性试验的试验时间和点灯时间。
(1)温度循环试验：试验温度为低温-10℃，高温+50℃，4小时一个循环，循环次数为250次。1个4小时周期包括在每个极端温度下各保持1小时和温度极限之间的1小时转换时间。升降温速率为1℃/分钟，接通和断开灯具时间17min。所以试验时间为1000小时，点灯时间为500小时。
(2)恒定湿热试验：试验温度为40℃±2℃，相对湿度为93％±2％，在额定工作条件下进行试验，对于IP20的室内灯具来说，一个循环是60分钟开，75分钟关，循环160次，试验时间为360小时，点灯时间为360小时。
(3)低温启动试验：试验温度为产品规定的最低使用温度，开关次数为300次，20分钟开关1次，1分钟开，19分钟关。试验时间为100小时，点灯时间为5小时。
(4)电源开关试验：在额定工作条件下进行开关试验，以30秒开，30秒关为1个循环，开关次数为小时为单位的额定寿命的一半，这里的试验时间为209小时，点灯时间为105小时。
(5)高温操作试验：灯具试验温度为环境温度加上10℃，室内灯具不低于40℃，试验时间为360小时，点灯时间为360小时。
3、对于室内LED灯具，确定每个可靠性试验项目的加速因子，并且计算总共的等效点灯时间。
(1)温度循环试验：温度循环试验中温度变化的加速因子由Coffin-Mason公式计算。
Figure BDA0000946023370000061
其中，ΔTstress为加速试验下的温度变化，ΔTnormal为正常应力下的温度变化，n为温度变化的系数，与缺陷机制和材料相关。对于无铅焊点，这个加速系数取1.9～2.0，这里取2.0。对于温度循环试验，温度范围假设为-10～40℃，加速因子为TE＝(60/50)2.0＝1.44，如果实际试验时间为1000小时，则等效点灯时间为720小时。
(2)恒定湿热试验：恒定湿热的加速因子由Hallberg-Peck方程计算得出。
Figure BDA0000946023370000062
式中，EA是缺陷机制的激活能，k为玻尔兹曼参数(8.6174×10-5eV/K)，RHs是应力测试环境下的相对湿度，RHo是工作环境下的相对湿度，Ts是应力环境温度，To是工作环境温度。根据市场常见产品的LM-80数据，一般的LED照明产品的激活能经常采用的数值是0.45eV，以涵盖大部分的优良产品。对于室内灯具，正常工作时，环境温度为25℃，相对湿度为45％，与湿度相关的加速因子为8.82，总的加速因子为20.4，则等效点灯时间为3264小时。
(3)低温启动试验的加速因子为1，等效点灯时间为5小时。
(4)电源开关试验的加速因子也为1，等效点灯时间为105小时。
(5)高温操作试验：加速因子由Arrhenius化学动力学公式决定
Figure BDA0000946023370000063
这公式常常用来描述物理化学的反应速率，也是表达半导体失效机理热加速的近似模型。式中，EA是热激活能，To是企业推荐的最高工作温度，Tj是试验温度。对于一般的电子元件激活能经常采用0.45eV，对于室内灯具，企业一般宣称的最高工作温度范围为30～45℃，这里以40℃为例，试验温度取50℃，计算出来的加速因子为1.68，所以等效试验时间取值为605小时(604.8)。
综合本节所说，总共的等效点灯时间为4699小时，计算时为简便起见，取值T＝4700小时。
4、根据公式
Figure BDA0000946023370000071
利用LED灯具系统的平均故障时间MTBF与样品数量N、等效试验时间T、失效次数r和置信水平之间的关系，计算出LED灯具样品的失效率。样品数分别取值10和20，而这里的卡方函数是与失效次数(0～4次)和置信水平(60％～90％)相关的，LED灯具样品的失效率是MTBF的倒数。通过取值不同的样品数、失效次数和置信水平就能计算出相对应的LED灯具失效率。
5、根据公式R＝exp(-λt)，其中λ为LED灯具样品的失效率，t为灯具企业声称的产品寿命。LED灯具系统的可靠度R与LED灯具样品失效率与声称寿命之间的关系，计算出LED灯具系统的可靠度水平，最后得到不同样品数、不同失效次数和不同置信水平对于产品声称寿命下的可靠度水平曲线。
6、如图1所示，假定LED灯具没有失效，在样品数为10个的时候，置信水平在90％的时候，系统的可靠度小于33％，说明所选取的LED灯具可靠性试验项目不合理，企业声称的产品寿命不可接受；在样品数为20个的时候，在置信水平的范围内系统的可靠度都是大于33％，说明所选取的LED灯具可靠性试验项目是合理的，企业声称的产品寿命是可以接受的。
7、如图2所示，假定LED灯具系统的置信水平为60％，在样品数为20个的情况下，失效次数的不同引起了系统可靠度的不同，其中失效次数为3和4的系统可靠度是不合格的，不接受可靠性试验项目和企业声称寿命，而失效次数为0、1、2的系统可靠度是合格的，这也正符合了实际中LED灯具的工作情况。
以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本专利的范围并不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种LED灯具系统可靠性的评价方法，其特征在于，包含有，
步骤S1，提供LED灯具样品，LED灯具样品对应有一企业声称寿命；
步骤S2，根据LED灯具样品的产品类型及用途，确定所述LED灯具样品的可靠性试验项目类型；
步骤S3，根据可靠性试验项目类型，确定其对应的试验时间、点灯时间、加速因子及等效点灯时间；
步骤S4，对LED灯具样品进行可靠性试验，并判断其是否合格；
步骤S5，根据LED灯具样品的平均故障时间与样品数量、等效点灯时间、失效次数和置信水平之间的关系，得到LED灯具样品的失效率；
步骤S6，根据LED灯具样品的可靠度水平、LED灯具样品失效率、声称寿命三者之间的关系，得到LED灯具样品的可靠度水平，进而得到不同样品数、不同失效次数和不同置信水平对于LED灯具样品关于声称寿命下的可靠度水平曲线；
步骤S7，根据可靠度水平曲线对LED灯具样品进行可靠性评价，判断企业声称寿命是否可以接受；
可靠性试验项目类型包含有温度循环试验、恒定湿热试验、低温启动试验、电源开关试验、高温操作试验；
步骤S4判断合格的标准：LED灯具样品要标贴完整，没有明显的损坏，而且每个试验项目结束后测量LED灯具的光通量，相对于初始光通量的变化不应超过10％。
2.根据权利要求1所述的一种LED灯具系统可靠性的评价方法，其特征在于，
温度循环试验：
试验温度的低温极端值为-10℃，高温极端值为+50℃，以4小时为一个循环周期，循环次数为250次；进一步地，所述循环周期包含有在高温极端值下的保持时间1小时、由高温极端值逐步至低温极端值的转换时间1小时、在低温极端值下的保持时间1小时及由低温极端值逐步至高温极端值的转换时间1小时；再进一步地，转换时间内的升降温速率为1℃/分钟；
试验时间为1000小时；
点灯时间为500小时；
加速因子为1.44；
等效点灯时间为720小时。
3.根据权利要求1所述的一种LED灯具系统可靠性的评价方法，其特征在于，
恒定湿热试验：
试验温度为40℃±2℃，相对湿度为93％±2％，以2.25小时为一个循环周期，循环160次，进一步地，所述循环周期包含有在额定工作条件下开启时间1小时及关闭时间1.25小时；
试验时间为360小时；
点灯时间为360小时；
加速因子为20.4；
等效点灯时间为3264小时。
4.根据权利要求1所述的一种LED灯具系统可靠性的评价方法，其特征在于,
低温启动试验：
试验温度为产品规定的最低使用温度，以20分钟为一个循环周期，循环次数为300次，进一步地，所述循环周期包含有开启时间1分钟及关闭时间19分钟，试验时间为100小时；
点灯时间为5小时；
加速因子为1；
等效点灯时间为5小时。
5.根据权利要求1所述的一种LED灯具系统可靠性的评价方法，其特征在于，
电源开关试验：
以1分钟为一个循环周期，循环次数为小时为单位的额定寿命的一半；进一步地，循环周期包含有在额定工作条件下开启时间30秒及关闭时间30秒；试验时间为209小时；
点灯时间为105小时；
加速因子为1；等效点灯时间为105小时。
6.根据权利要求1所述的一种LED灯具系统可靠性的评价方法，其特征在于，
高温操作试验：
试验温度为环境温度加上10℃，室内灯具的试验温度不低于40℃；
试验时间为360小时；
点灯时间为360小时；
加速因子为1.68；
等效点灯时间为4.8小时。
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