設計合宜的照明用LED元件可靠度驗證方法

LED的發光原理特殊，必須針對光形、演色性、色溫...等項目進行完善驗證，確保產品品質。joliet

全球環保議題發燒，在IT產業大量被使用的CCFL，因為含微量有害環境物質，讓原本以指示型用途為主的LED元件，成為環保光源的發展方向，但發展照明用元件或是背光LED模組，必須在生產時符合較指示型光源更多的驗證要求，即以更嚴格的檢測標準評估產品的性能...

LED元件早期以指示燈號用途居多，驅動的功率極低，實踐的電路設計也相對簡單，由於燈號用途單純，開發時根本不用考慮壽命、光形、亮度、演色性...等問題。但目前LED逐漸延伸到日常照明用途，因應照明的實用性，燈具必須強化亮度(流明)表現，而強化LED亮度的手法除改善元件晶片的製程與設計形式外，加大產品驅動的電能使輸出更高流明，是開發照明用LED產品的主要方向。

LED雖是光源的一種，其發光原理與傳統光源卻大不相同，例如，鹵素燈、鎢絲燈、白熾燈具，是利用電能加熱燈絲產生光，大部分的能源耗損都以「熱」的形式浪費了。而螢光燈、氙氣燈...等燈具，則是利用氣體放電形式讓電極在特殊氣體環境中產生高頻電弧，進而產生物理反應的強光。而LED則是利用半導體接面的偏壓，產生光反應輸出。

不同的光源自然會產生不同的熱反應，因為鹵素燈、白熾燈、鎢絲燈...等傳統燈具發展時程相當久，幾乎人類開始利用電能就一直沿用迄今，相關的產品使用體驗、驗證標準是相對完備，即便是採用氣體放電形式的螢光燈，這類燈具市場使用的時間也相對較久，亦有完整產品驗證方式，但在LED應用光源，由於產業正在起步，即便有驗證方式也大多屬於傳統光源的方法修正，相關的驗證方法亦正在發展中。

LED形式的產品發展速度極快，國際標準的LED相關法規、測試標準，顯得有點跟不上產業需求，不同法規在市場上呈現各自表述、百家爭鳴狀態。

在發展LED光源時，雖然可延續大部分傳統燈具的驗證形式，因為畢竟是照明設備，用途相同只是形成「光」的方式不同，而在傳統照明器具上，「可靠度」是以「時間」為主體的一個名詞，可靠度即說明了該照明設備在有限的時間內可以持續穩定提供服務的機率，而可靠度這個名詞，也被用於多種電子產品中，尤其是在開發設計階段，元件選擇、設計開發、產品驗證都有考量「可靠度」。

然而，利用LED這個特殊元件進行各種照明器具的開發，經常會碰到沒有常例可循的窘境，不僅實測的形式不確定，產品驗證和國際標準又存在許多不明因素，如何針對LED照明產品進行基本的產品驗證，以進一步確認LED燈具在耐受度、品質水準方面的表現，積極改善產品應用效益，最後達到提高市場接受度、減少退貨率的開發目的，遂成為一項挑戰。

LED照明產品壽命驗證

一般來說，IT或電子產業會採取壽命預估(Prediction)、壽命實測(Demonstration)、市場回饋(Field return)等3種方法來驗證產品壽命。壽命預估法為根據MIL HDBK 217之零件計數(Part count)方式，與零件應力(Part stress)形式上的原則設計，在產品推出前大量使用軟體去預測產品壽命長短，雖然Prediction具備極短時間、極低成本推導產品壽命表現的優點，但該方法得到的預測結果，往往與實際的LED光源產品使用壽命相差甚遠。

壽命實測(Demonstration)法也是常用形式，但不同的是壽命實測為利用加速模型(Acceleration model)來求取加速因子(Acceleration factor)，過程搭配實體樣品運用環境測試模擬機，具體分析樣品以得出產品壽命預估值。目前市場上以Coffin-Manson模型(溫度循環加速)、Arrhenius模型(高溫加速)及Hallberg-Peck(濕度加速)採用度最高。壽命實測預估方式為兼具計算與實測表現，得出的結果也更趨真實，也是目前業界常採用的做法，缺點是成本偏高。

市場回饋(Field return)法為直接回收使用者手上的產品，檢視其使用的狀況。在3種方法中，市場回饋方法是最接近真實的衡量結果，但此舉會讓成本與時間壓力加劇，況且真實的市場使用狀態並不容易透過此方法輕易取得。前述3種產品壽命驗證方式，仍以壽命實測法為最普遍應用的形式。

實際進行產品壽命驗證時，首先要先針對開發的產品預設一個產品應用的生命輪廓分析，先清晰定義產品在生命週期期間，可能在一個什麼樣的環境下被應用，其它包括產品的屬性、產品的使用對象...等基礎資料都要先定義清楚，避免邊做驗證邊改規格或變換測試環境的問題。

正因為前述的關鍵因素皆會影響未來的檢驗規格，因此，在建構的過程中須避免落入已知規範限制的迷思，因為能因應實際的應用環境，該驗證規範才會具備實用價值，在無法模擬實際應用環境的條件下測出的性能指標，只是浪費開發資源與成本。

舉例來說，進行LED的路燈設計，若在一開始的應用場合未考慮設置環境的溫度狀態，明明出貨地點為亞熱帶國家，裝設環境同樣也在亞熱帶，卻在產品測試規範寫入必須承受低溫-40℃的驗證規格！？只因為IEC(International Electrotechnical Commission)建議低溫標準是-40℃，但出貨地點根本很難會有-40℃的環境溫度，生產線針對此進行產品最佳化來迎合驗證標準的結果，徒然增加成本，卻是毫無意義的設計要求，因此務必建構一個有效率、符合實際需求的可靠度驗證標準。

LED元件發光原理與傳統光源不同，除了可靠度驗證方式須針對環境與應用需求重新調整之外，也必須針對其照明特性進行多方量測。例如，利用微積分球、配光曲線儀，進行LED產品的光強度(Luminous intensity)、光通量(Luminous flux)、色溫(Color temperature)、波長(Wave length)、色座標(Chromaticity coordinates)、演色性(Color rendering)...等相關驗證，以確保LED產品的品質。