相對傳統照明產品而言,作為第三代照明的LED產品具有節能環保、壽命長、安全、外觀可塑性好、驅動靈活以及體積容易小型化等諸多優勢。LED產業與目前各國所倡導的節能環保、營造綠色低碳生活的政策相符,因此獲得各國政府的大力支持,尤其與公用事業相關的應用(如LED路燈等)更是發展迅猛。但由于受成本等因素的制約,在民用方面完全替代傳統照明,尚需時日。由于市場競爭激烈、產品更新換代快、縮短開發時間便成為行業迫切需要。然而，制約新品開發時間的主要瓶頸在于評估產品壽命的可靠性試驗方法落后，試驗周期太長。國際上已有壽命評估的可靠性相關標準，主要以美國能源之星(ES)和國際照明委員會(IEC)體系為典型代表。針對LED燈具壽命的評估，二者都提出直接對燈具進行老化測試，或根據LED封裝、LED模組等的老化試驗數據進行推算。而按照耗時最短的ES試驗方法進行試驗，老化時間也需要6000小時。因此，急需開發一種快速的LED照明產品壽命評估的可靠性試驗方法。
國家半導體照明工程研發及產業聯盟標準化委員會(CSAS)制定發布的聯盟標準CSA020《LED照明產品加速衰減試驗方法》正是在上述背景下產生的，主要適用于LED路燈、LED隧道燈、LED射燈、LED筒燈和LED球泡燈等LED照明產品。其他LED照明產品可參照使用本標準的方法。CSA020用于快速檢驗LED照明產品的預期壽命，將測試周期大大縮短至2000小時以內，并且具有與ES方法相同的測試精度。起草小組于2013年1月完成了征求意見稿，向國家半導體照明工程研發及產業聯盟的全體成員以及飛利浦等龍頭企業廣泛征求了意見，并對多個技術細節進行了反復討論，充分醞釀，于2013年3月正式完成，提交CSAS進行投票，并于2013年4月發布為聯盟標準。
一、CSA020加速衰減試驗方法原理
CSA020加速衰減試驗方法的加速原理是，在測試設備精度得到保證的前提下，假設光通維持率與時間呈e指數衰減關系，則可以使用3600小時光通量衰減數據替代ES測試方法所需的6000小時的數據。另外，加速衰減試驗方法采用了多次通過實測數據證明可行的Arrhenius加速模型描述LED產品在高結溫下的壽命。因此，該方法利用提高測試時的環境溫度(用以提高LED結溫)的方式進一步縮短測試時間。在建議最高溫度為55℃的測試條件下，2000小時以內的數據，可用來替代ES方法所需要的室溫下6000小時的數據。對于最高標稱工作溫度小于55℃的LED照明產品，則要求以產品的最高標稱工作溫度為最高測試溫度。該標準采用的加速衰減試驗方法的可行性與合理性，不僅在理論上進行了證明，還用LED照明燈具實際測試數據進行了驗證。
二階段加速模型是CSA020 的重要理論基礎。LED照明產品隨時間的光衰減可以用e指數關系表示，見公式(1)：
在公式(1)中，φ(t)是歸一化的光通維持率，β是擬合常數。由于歸一化，β=1.0。國際論文所提供的數據證實了除了室溫外，公式(1)也適用于更高的測試溫度。根據Arrhenius方程α隨溫度變換：
Ea為激活能 (eV);k為玻爾茲曼常數(8.617385×10-5eV/K);A為前綴因子。若上式中的T為LED芯片的結溫，令T1為工作條件下的結溫(例如：室溫25℃條件下)，則： t70|T1
為光通維持率達到φ(t)=0.7的時間;t95|T1為光通維持率達到φ(t)=0.95的時間;t91.8|T1為光通維持率達到φ(t)=0.918的時間。若t70|T1=25000小時，由公式(1)可以算出：α|T1=1.426×10-5，進而可以得到t91.8|T1=6000h，。以上為第一階段光通量e指數加速。
當工作條件下的結溫為T1，光通維持率為95%時，;當加速溫度下的結溫為T2，光通維持率為95%時，則：
二階段加速模型的兩個加速過程的先后順序可以調換。如圖1所示，先進行e指數加速然后做溫度加速(圖1中的①+②路徑)，或者是先進行溫度加速然后做e指數加速(圖1中的③+④路徑)，其結果相同。
圖1 二階段加速模型的可互換性示意圖
二、CSA020標準提出的檢驗流程
CSA020標準提出的檢驗流程如圖2所示，依次為：抽樣、判定加速試驗溫度、進行加速試驗、加速試驗達標判定。
1.抽樣方法
檢驗批次組成：采用相同的材料、元器件和光源，以及具有相同的結構形式，在同一條生產線上連續生產的產品組成檢驗批次。檢驗樣品應至少在兩個以上的制造批次中隨機抽取。樣品的光通量應符合穩定衰減。樣品樣本數至少為3個。樣本數越多，檢測結果的置信度越高。
2.加速試驗溫度的選擇
將試驗箱依序設置為表1所列的4個測試溫度，在每個測試溫度保持至少60分鐘，使樣品達到熱平衡穩定狀態，測量樣品在該溫度下的光學特性(如照度)。在每次測量結束后，都應將樣品從溫度試驗箱中取出，在室溫條件下靜置，當樣品達到熱平衡穩定狀態后測量光通量。
樣品在溫度試驗箱外測量得到的光通量之間的差異應在5%之內，在溫度試驗箱中4個設定測試溫度下測量得到的光學性能之間的差異應在10%之內，則可以將該測試溫度(25℃除外)減小5℃作為加速衰減試驗的加速試驗溫度。加速試驗中應采用滿足以上條件的最高加速試驗溫度，但不應高于55℃，且不應高于產品標稱的最高工作溫度。
3.進行加速試驗
樣品需要先測量初始光通量。然后將樣品置于試驗箱中，進行加速試驗。試驗環境溫度為上述判定的加速試驗溫度，試驗環境相對濕度不超過65%，樣品在額定電壓下連續工作。
4.加速試驗達標判定
CSA列舉了標稱壽命分別為25000小時、30000小時和35000小時的樣品的達標判定方法。如標稱壽命為35000小時的樣品，在一定的加速溫度下，所有樣品達到表2所示的累計負載時間后，加速光通維持率不小于95%，則判定樣品的最小預期壽命達到其標稱壽命35000小時。如果加速溫度為55℃,則判定LED照明產品壽命為35000小時、30000小時和25000小時所需的測試時間分別僅為1750小時，1550小時和1300小時。
參考大量市場常見產品的LM-80數據，計算得到常見優良產品的激活能。CSA020選取0.45eV作為標準激活能，涵蓋了絕大部分的市場優良產品。根據公式(1)，利用產品的標稱壽命和預期光通維持率(70%)，可以得出不同標稱壽命對應的標準光衰曲線。同時，也可計算不同標稱壽命對應的標準α值，根據產品的實測數據并采用公式(2)，得到允許的最高結溫，使其作為標準結溫。某一標稱壽命下的標準光衰速率一定大于實際良品的光衰速率。因此，可以推斷出，標準α值和標準結溫大于絕大部分優良產品的α值和實際結溫。
根據公式(2)，代入標準α值、標準結溫和激活能，計算A值;在環境溫度分別為55℃、45℃和35℃時，LED結溫分別比室溫條件下高30℃、20℃和10℃，利用公式(2)，可以計算得到光通量衰減為95%的時間L95，如表3所示。
因此，本試驗方法的達標判定按照以下假設條件進行設置：
(1)光源的激活能不大于0.45eV;
(2)結溫不大于如表2所示的標準結溫;
(3)LED光源的供電于試驗進行中是保持穩定的。
然而，本達標判定容許條件1和2條件的部分放松。按照二階段加速模型，可以容許當光源激活能稍大于0.45eV時，結溫小于標準結溫則可以部分滿足達標判定的需求。
為了驗證CSA020《LED照明產品加速衰減試驗方法》具有廣泛的代表性，在筒燈、射燈、球泡燈、路燈和隧道燈中選取了17種具有代表性的LED照明產品進行了驗證試驗。在55℃加速和室溫(25℃)測試下，驗證了加速衰減試驗的結果與室溫測試結果保持一致。圖3和圖4分別顯示在55℃加速和室溫(25℃)測試下，實測數據和標準光衰曲線。圖4中顯示產品3和產品5在室溫條件下測試時，光衰速率不符合要求，圖3中顯示同樣的結果。說明符合加速測試標準的產品，也可以通過在室溫條件下6000小時的測試。本結果說明了加速衰減試驗的結果與室溫測試結果是一致的
圖3 部分產品在55℃環境溫度加速下的光通維持率
圖4 部分產品在25℃室溫環境下的光通維持率
與美國能源之星ES方法相比，CSA020《LED照明產品加速衰減試驗方法》能夠有效縮短預測LED照明產品壽命所需的試驗時間。CSA020試驗方法理論的正確性與廣泛的代表性得到了大量詳實的數據驗證。考慮到測量系統的精度，使用該方法能夠在55℃的測試溫度下將測試時間縮短至2000小時以內。CSA020正被國家半導體照明工程研發及產業聯盟數十家會員單位接收，相信不久的將來會受到越來越多的企業認可，必將對LED照明產品的研發與產業發展起到巨大的推動作用。（本文選自《半導體照明》雜志第38期）
