如何利用实验数据有效推估LED寿命?

ENERGY STAR与Lighting Facts之LED寿命解读报告: LM-80实验数据及TM-21公式推估方法应用

美国环保署（Environmental Protection Agency, EPA）与能源部（Department of Energy, DOE），自2010年起陆续对LED光源灯具/灯泡发布能源之星（Energy Star®）及Lighting Facts标准，让相关业者的LED照明产品规格有所依循，目前国际LED大厂针对LED产品的寿命评估与产品规格，也以此为依归。也就是说，LED厂商若想打入国际LED照明市场，势必取得LED能源之星认证这张门票。

在能源之星部份，去年（2011年）7月6日，EPA为了简化资格审查程式，特别将住宅照明(RLF)及固态照明（SSL Luminaires）两大型态的灯具规范整合成【ENERGY STAR® Luminaires Program Requirement V1.1】，并订定今年（2012年）4月1日正式开始实施，此外灯泡的部分也整合成【ENERGY STAR® Program Requirements for Integral LED Lamps V1.4】，两份规范中除了审核的资料项目增加外，引起较多讨论的应该是【LM-82光电特性规范】与【TM-21寿命预估规范】的要求已纳入其中。

LM-82目前在北美照明协会(IESNA)尚未正式出版，其内容主要为LED Light Engines及Integrated LED Lamps的电性与光学特性在不同温度下的特征验证方式，其量测方式相似于LM-79-08计划，但重点为温度对电/光参数的特征影响性评估。

另一部分则为IESNA于2011年7月25日出版的TM-21-11 (Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources)，此规范主要是针对LED光源表现与寿命进行预测，并与日前所公告的LM-80-08 LED流明维持率实验进行连结，应用LM-80-08的实验资料来推估LED元件及灯具/灯泡的长期寿命表现。

一、使用TM-21推估LED灯具寿命步骤

为使LED业者对TM-21有较清晰的概念，并了解如何善用TM-21推估LED产品，笔者将以四个程序说明LM-80-08与TM-21-11的应用及推估方式：

步骤一 : LED元件供应商对其LED Source(Package/Array/Module)进行3个温度(55℃/85℃/自选温度)至少6,000小时的LM-80-08实验。

样品数要求 : (与可推估时间其有关连性)

测试时间要求 : (与推估精准度有连结性)

至少6,000小时，建议为10,000小时，每隔1,000小时需要取得测试之LED光衰资料，间隔时间越短(如:500小时)可提升推估时的准确度。

步骤二 : 依TM-21-11公式推估3个测试温度(55℃/85℃/自选温度)的长期寿命资料。

取得各温度实验资料平均值，测试资料取出时间规则为:
 

以Exponential Least Squares Curve-Fit(最小平方曲线拟合)取得斜率m(Slope)与截距b(Intercept)，计算m与b时若测试时间越长间隔越密集，其精准度将提升，接着计算出B与α数值。

y=mx+b,  B=exp(b),   a=-m

依下列公式计算出各温度实验之LED在ENERGY STAR规定之流明维持率70%时的寿命时间数值。

L70 : 当LED流明维持率为70%时的使用时间

以步骤一中样品数量进行可推估倍数时间之标准判断:

表示方式为 : L70(6K) = XX,XXX hours

(6K) : LM-80测试时间，(6K)=6,000小时；(10K)=10,000小时

XX,XXX Hours : 样品≧20ea，测试时间=6,000，可推估6倍为36,000小时

使用Exponential公式计算出各时间之流明维持率，则可以计算出之资料绘出各测试温度的推估寿命曲线图:

步骤三 : 取得该LED元件置于LED灯具的实地量测温度(In Situ Temperature)。

请参照ISTMT(In Situ Temperature Measurement Test)测试程式取得LED元件置于LED灯具中的温度，该测试温度位置须与LM-80-08的Ts设定位置相同，取出之温度资料称为TMPLED(LED Temperature Measurement Point)。

步骤四 : 以测量之TMPLED与TM-21计算之结果进行内插计算，取得TMPLED的推估寿命数值。

从三个测试温度点中选出包复TMPLED最近的两个温度点作为计算基准点。

计算Arrhenius Model温度加速参数A并得出Decay Rate:α与定值参数B0。

以上述之公式计算出TMPLED的L70数值，相同程式表示TMPLED之结果。

L70(6K) > XX,XXX hours

 
套入相关时间数值并绘制出TMPLED与三个Ts的寿命推估图。

二、ENERGY STAR / Lighting Facts对于LED灯具/灯泡的寿命要求

ENERGY STAR在灯具只有两种规格，灯具厂商可使用整灯点亮6,000Hrs.，或提交元件厂商的6,000Hrs LM-80报告与TM-21推估结果来证实灯具成品的流明维持率，在灯泡部分标准就较为弹性，用途不同则标准会进行微调，如下表:

三、LED照明高度竞争的决胜关键：LED品质

照明产品被视为LED的最大商机，然而过去LED价格过高，虽拥有省电环保等优点，但价格仍无法与白炽、省电灯泡竞争。外加前几年由于未有相关品质验证标准可循，LED品质良莠不齐（光衰问题、变色问题等），也导致许多负面的使用经验，也造成LED照明使用量迟迟无法有爆炸性的成长。

不过2012年，LED照明价格的甜蜜点已提前来到，预期接下来两年，LED需求将大幅翻扬。当LED产品价达消费者可接受之价位，LED厂商能否在这波需求翻扬时刻，在众厂商中脱颖而出，受消费者亲睐，决胜负的关键就在于LED的品质与寿命。

目前，美国能源之星已为LED品质提供量化标准，使得LED产业可以有遵循的规范，笔者也将于11月8日在新竹宜特科技与Intertek HK所举办的“LED Energy Star 认证流程与可靠度验证技术研讨会”，更进一步的分享能源之星LED的规范内容，并提出经验分享与因应措施，也欢迎业界先进一同前来交流。

【作者：宜特科技可靠度工程处 曾劭钧资深经理】

关于作者

曾劭钧，在可靠度领域10年以上经验，专精于可靠度设计验证，目前任职于宜特科技，担任可靠度工程处资深经理一职。

其任职公司宜特科技成立于1994年，从 IC 线路除错及修改起步，逐年拓展新服务，包括故障分析、可靠度验证、材料分析与绿色产品环境管理系统建置辅导等，建构完整验证与分析工程平台，并提供全方位服务。客户范围囊括了产业上游 IC/LED 设计至中下游成品端，扮演品牌公司以及委外制造产品的独立第三公证实验室。

宜特科技近三年来，针对LED磊晶(EPI)、封装至成品，均投入了大量的资源在光学、可靠度与故障分析等工程能力建置上，藉以协助客户判别LED产品在可靠度试验前、中、后之光特性参数变化、寿命估算、品质改善等整合型解决方案。2011年，更进一步取得美国国家环境保护局(US Environmental Protection Agency；EPA)在LED LM-80的实验室认可资格，并提供LED LM-80验证服务。