Willem van Driel：系统可靠性决定LED商业未来

半导体照明正逐渐地渗透到人们的日常生活中来,由于LED生产企业可靠性测试和相关知识的缺乏，LED产品带给人们一些负面印象。未来，半导体照明是否能在商业上取得成功，系统水平可靠性将至关重要，目前这一问题已受到极大关注。为了解当前系统可靠性研究的问题和进展，《半导体照明》杂志特采访了荷兰代尔夫特大学助理教授、美国电气与电子工程师协会（IEEE）组委会成员Willem van Driel博士。他在固态照明、微电子学和微系统技术及其可靠性领域有15年以上的研究经验，先后以主要作者或合著者的身份发表出版物达200份，并拥有15项专利。

系统可靠性≠LED可靠性

《半导体照明》：系统可靠性是业内非常关注的一个话题，能否请您介绍一下半导体照明系统及可靠性？

Willem van Driel：半导体照明系统的概念很广，可以是LED封装，也可以是LED灯泡、LED光引擎，或者LED室内照明灯具，还可以是使用了多个光源的一栋房子，甚至是需要被点亮的整座城市。一个LED封装可以当做一个系统，是因为其中包含几个交互的组件：芯片、透镜、承载物；LED灯泡系统还需在LED封装的基础上增加驱动、热沉和外壳；光引擎也是一个系统，通常是把10多个LED封装安装在一起，再加上一个外壳而构成；一个灯具系统内包含几个光引擎和一个驱动。当今社会，每个家庭通常需要30～40个光引擎，从某个中央位置可以对它们进行控制；而大至一座城市，比如上海，有数百万甚至数千万个光引擎用于街道和室内照明，也称之为一个半导体照明系统。

而系统可靠性是指涵盖硬件和软件的系统在特定环境和特定时间下卓越地完成其设定任务的可能性。但是，当子系统或界面产生问题时，系统就会出现故障。因而半导体照明系统设计几乎不允许子系统或界面在应用过程中出现任何故障。通常，如果系统能达到所承诺的可靠性水平，其成本往往会大幅上升，实验和模拟技术或能有效实现成本的控制。另外，提高系统可靠性，也意味着需要掌控住所有组件的可靠性。因为不管系统有多复杂，每个系统的寿命实际上就等于组件中寿命最短的那个组件的寿命。

《半导体照明》：系统可靠性与LED可靠性有着怎样的的区别？

Willem van Driel：半导体照明系统所包含的关键组件有：LED引擎、电子器件和控制、冷却系统（主被动）、光学系统（包括远程荧光粉、透镜和涂料系统、反射器和反射硬模系统）、机械（包括垫片、进料槽、密封剂、外壳、连接器和紧固系统）。可见，半导体照明系统有5个关键组件，LED只是其中之一，每个组件的可靠性对系统的可靠性有均等的影响。

《半导体照明》：在系统可靠性测试方面，有没有相关的标准来规范？

Willem van Driel：多数行业都采用标准测试，目的是能够对组件和系统的性能进行量化。比如军事领域采用的美国军工标准（MIL）、电子元件工业联合会（JEDEC）推出的电子产品测试标准等。半导体照明领域的测试标准目前以LM79和LM80为主，但其中都没有关于系统可靠性测试的规定。LED灯泡、LED模组和LED灯具的产品测试中尚无耐力测试环节，未来将增加该项性能的测试，预计这些产品的测试标准将在1-2年内完成研发并得到强制执行。

生产工艺管控至关重要

《半导体照明》：半导体照明系统可靠性测试的原理和步骤有哪些？

Willem van Driel：要测试整个系统的可靠性，需要先测试每个组件的可靠性。不同的系统有不同的功能，功能决定需使用的测试方法。比如固态照明对寿命的要求很高，测试常用的办法就是给予足够的过压测试，根据过压测试所获得的数据即可推断出正常使用条件下可能的寿命。

另一种常用的方法是加速试验法。加速试验法是采用在更高的温度、压力、电压、负载、震动等环境下进行测试的方法。具体的测试条件应随测试对象的不同而变。这些测试因素被称为压力源，这种测试方法也被称为加速寿命试验（ALT）或应力测试。

然而，基于整个系统的加速试验并非没有风险。仅仅通过增加负载量（比如温度或者电功率）进行应力测试时可能会改变失效模型，而这些失效模型和实际性能表现毫无关系。因而，加速试验有如下一些通用规则：

第一，找出系统失效模式：a.进行实地研究或应用研究来确定失效模式；b.半导体照明产品已知的压力源包含温度、相对湿度、震动和冲击承受力、电，还有很容易被忽视的光因素。

第二，系统内的每个组件有其各自的故障行为特点，需要通过以下方式获取：a.需要在至少三个加速试验条件下进行试验；b.需要可靠性物理或失效物理学的数值/模拟模型。

第三，组件间的交互作用方式需要通过以下测试获取：a. 测试子系统；b. 测试整个系统；c. 物理的失效模式不改变的前提下，加速环境应用条件。

《半导体照明》：请您谈谈生产工艺方面如何确保可靠性制造？

Willem van Driel：固态照明系统设计恰当的话，唯一可能导致最终产品失效的原因就是生产工艺。因此，生产工艺的管控至关重要，不能允许任何改变。此外，要控制好质量，就要对组件和系统的出入端进行控制。在批量生产时，需要进行老化测试、在线监测、持续可靠性测试等三种测试。

《半导体照明》：您认为在散热方面需要关注哪些地方？

Willem van Driel：热管理和可靠性密切相关：产品或组件的温度越高，其失效的可能性越大。一条通用的经验法则是：温度每增加10℃，寿命就减小一倍。这也表明了控制温度的重要性。冷却方式对半导体照明系统的可靠性性能影响很大，因此，需要对材料进行深入研究。寻找能在100℃以上维持长寿命的材料是一个关键。

照明智能控制可向家电企业学习

《半导体照明》：请就您的了解，谈谈三星、通用电气、欧司朗和飞利浦这样的大公司采取了哪些措施来提高系统可靠性？

Willem van Driel：所有的大企业几乎都采用六西格玛方法来优化和提高产品性能。六西格玛是一项质量管理法，是企业改进生产流程、提高产品质量和服务质量的一项有效工具。六西格玛管理方法是一种高度重视数据，依据数字、数据进行决策的管理方法，强调“用数据说话”、“依据数据进行决策”，“改进一个过程所需要的所有信息，都包含在数据中”。 因此，六西格玛管理广泛采用各种统计技术工具，使管理成为一种可测量、数字化的科学法。在六西格玛里有两个重要的概念，即“流程”和“规格”。

《半导体照明》：能否请您就如何提高系统可靠性给中国乃至世界的中小生产企业提些建议？

Willem van Driel：中小生产企业由于缺乏充足的经验和庞大的人力无法进行上面提到的六西格玛法，不过，中小生产企业可以借助以下方法：第一，要求组件供应商进行组件的加速应力试验；第二，对整个系统进行寿命测试时，选取较少量样品进行更长时间的测试；第三，批量生产启动后，不再允许大的改变；第四，产品的某个问题也只允许微小的调整；第五，不断从过去的经验中学习，持续提高所生产产品的可靠性。

《半导体照明》：智能化控制是未来半导体照明的发展趋势之一，您认为新型智能化的半导体照明关键技术是什么？LED照明应如何做好智能化控制系统？

Willem van Driel：首先，智能控制会给系统带来额外的增值，使我们可以通过每个光源实现通讯。但是很显然，作为一个额外增加的子系统，其性能复杂，增加了系统失效的几率。需要对产品新功能的失效率以进行风险管理，也意味着需要成功模拟出产品的系统测试方法，这一点可以向家电业学习。

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