基于FMECA方法的LED灯具可靠性分析

湖北工业大学机械工程学院 李婳婧 聂 磊 黄 飞



基于FMECA方法的LED灯具可靠性分析

湖北工业大学机械工程学院 李婳婧 聂 磊 黄 飞

【摘要】基于FMECA方法，对LED灯具进行了可靠性分析。以LED灯具可靠性试验数据为基础，对LED灯具进行了层次划分，掌握了子系统结构与功能及其相互之间的可靠性关系；建立了FMECA分析表格，从而得到了系统潜在失效形式、主要薄弱环节和危害度的相关数据。提出可能采取的预防方案及改正措施，并对LED灯具进行定性和定量的可靠分析，最终为提高产品的质量和可靠性提出了建议。

【关键词】LED灯具；FMECA；FMECA分析表；可靠性分析

本文系国家自然科学基金（51305130），湖北省自然科学基金（2014CFB178），湖北省教育厅重点项目（D20131407）。

1　引言

随随着照明行业的飞速发展，LED灯具作为新型固态冷光源，凭借其体积小、耗电量低、寿命长（寿命是普通荧光灯的10倍）、发光效率高等特点，应用领域日益扩大正[1]。但是，由于其发展历史还不长，产品的设计与工艺缺乏经验积累，市场上不仅没有健全的可靠性标准和完善的检验方法，而且缺乏有效的可靠性检验手段对灯具的质量进行把关，导致LED灯具可靠性较低，使得广大生产企业对大规模投产LED灯具心存疑虑，这也严重阻碍了LED灯具发展和应用[2-3]。

大多数的研究都集中在对LED灯具的封装进行加速寿命试验并分析灯具的寿命和失效模式[4-5],鲜有对LED灯具系统进行全面的FMECA分析。本课题就是通过对LED灯具系统及其所包含的主要子系统进行FMECA，找出潜在的失效形式，判断薄弱环节，确定主要故障的发生概率和严重程度，提出可能采取的预防及改正措施，从而提高产品的质量和可靠性。FMECA分析方法不仅在设计中可用于对系统可靠性的预测和评定，还可以用于对设计、制造和维修中问题原因的分析和寻找[6-7]。进而缩短项目时间、降低项目成本和风险。所以开展失效模式研究和分析为提高公司产品的质量，为产品可靠性设计提供有关信息和历史资料，都有着深远的社会效益和经济效益。

2　FMECA方法分析

2.1FMECA方法

故障模式影响及危害性分析（Failure Mode ,Effects and Criticality Analysis，简记为FMECA）方法作为一种“自上而下”的逻辑分析方法，分为故障模式及影响分析（FMEA）和危害性分析（CA）两个部分，是可靠性分析技术的主要方法。FMECA主要分析产品中每个组件的潜在故障，通过分析和计算危害性，可以分辨故障的严重程度，从而对产品日后的维修使用和机构的优化升级，提高可靠的理论支持[8-9]。特别是针对LED灯具这种新型的、不稳定的、运用广泛的电子产品，运用FMECA方法，可以全面的对LED灯具进行定量的可靠性分析。

2.2研究对象及其功能结构分析

LED（Light Emitting Diode）发光二极管是一种固态的半导体元件。某公司提供的LED灯具样品实物结构图如图1所示。由于LED灯具相对其他普通灯具结构较为复杂，所以对其组成的元器件、部件和自制组件失效原因进行分析是一项非常困难的工作。如对每一个元器件均进行失效模式分析，需要统计和收集大量的原始资料和信息，工作量大且效率较低。因此本文将LED灯具分成3子系统：LED封装子系统，驱动电路板系统和灯体。仅对关键的和问题多的元器件进行失效模式研究及影响的重点分析，这样既简化分析内容，又抓住了主要矛盾，为解决设计、生产、使用或维修中的主要问题提供理论依据。

通过子系统划分，我们发现子系统内各部件既相互控制和影响又协同工作。在进行可靠性分析前，通过互相连接的框图不仅可以反应各部件之间的功能关系，还可以用来显示系统的失效逻辑，分析系统中每一个成分的失效率对系统的影响，以帮助评估系统的整体可靠性。根据LED结构特点分析，发现LED灯具三个子系统为串联，也就是无乱哪个子系统失效都会引发LED灯具系统失效，因此在分析整灯可靠性之前，应该先对每个子系统进行分析。LED灯具的可靠性方框图如图2所示。

图1　LED灯具实物图

图2　LED灯具的可靠性方框图

3　FMECA表格的设计与分析

综合研究相关资料，结合产品的实际情况和前期可靠性试验，设计并完成了FMECA分析表。建立QC小组，针对对每种故障模式和每个部件，进行RPN风险等级评估。对风险优先数较高的部件，依照故障原因，提出纠正措施和优化方案。从而消除或控制潜在的失效模式，减少产品的不合格率，提高产品可靠性[11]。根据《装备研制与生产的可靠性通用大纲》实施指南和中华人民共和国国家军用标准GJB1391-92[12]，绘制的LED灯具的FMECA表格，见附件1。对FMECA表进行分析，得出发生故障的主要失效模式为硅胶的性能退化、荧光粉碳化、驱动电路板烧坏产生空洞或断裂。

单独对元器件进行分析，可以清楚的发现LED封装里的硅胶和LED驱动电路板中的驱动电路板，这2个部件危险优先数较高，是影响LED灯具系统可靠性的关键；此外，荧光粉、电容和驱也是灯具的薄弱环节。它们的故障模式，故障原因和对灯具的影响各不相同。

附件1：　LED灯具的FMECA分析表

4　结论

本文运用FMECA方法对LED灯具进行了定性和定量的可靠性分析，并在此基础上，结合每种故障模式的发生概率和严酷程度，找出了LED灯具的薄弱环节，提出了相关的预防与改进措施。从而使得产品的可靠性得到一定程度的提高。具体结论如下：

1）不同的部件由于结构差异和功能迥异，在工作中会产生各种故障模式，不同的故障模式也会对产品带来不同程度的影响。通过FMECA对产品潜在的每一种故障模式进行分析，根据危险优先系数对部件进行定量的可靠性分析。

2）硅胶的性能退化、荧光粉碳化、驱动电路板烧坏和元器件脱落（荧光粉脱落、电容脱落）为主要的故障模式；LED封装里的硅胶和LED驱动电路板中的驱动电路板，这2个部件危险优先数较高，是影响LED灯具系统可靠性的关键部件。

3）材料疲劳老化导致电子元器件提前失效也是故障多发原因，应加强对外购件和自制件的质量监督，加强装配前检测的力度。

FMECA分析表中危险优先系数和改进措施，可以作为LED灯具结构优化和材料选择的理论基础，为LED灯具质量和可靠性的提高提供宝贵经验。

参考文献

[1]施晓红,陈超中,李为,军王晔,聚焦LED灯具和LED光源的基本概念[J].中国照明电器,2010,10:33-36.

[2]W.D.van Driel, C.A.Yuan et al,“LED System Reliability, EuroSimE,”2011,5:1-5.

[3]S.Koh,W.D.van Driel et al,“Solid State Lighting System Reliability,”ChinaSSL, 2011,p121-126.

[4]杨少华,吴福根,张春华.白光LED 的失效机理分析[J].半导体光电,2009,29(6):857-860.

[5]Fu-Kwun Wang,Tao-Peng Chu,“Lifetime predictions of LED-based light bars by accelerated degradation test,”Microelectronics Reliability,2012, 52:1332-1336.

[6]刘智勇.航空产品失效模式的研究[D].西北工业大学,电子与信息,2004.

[7]曹健龄,杨义明,失效模式与效应分析的作业方式[J].质量管制月刊,2003,3(2):55-59.

[8]Gong Dequan,“Application of FMECA method to improve design reliability,” Shanghai Space,1995,3:25-29.

[9]Lu Tingxiao,Zheng Pengzhou,“Design and Analysis of Reliability,”National Industry Press,1995,p:140-149..

[10]Chrysler Corporation,“Potential Failure Mode And Effect analysis (FMEA) Reference Manual,”Ford Motor Company and General Motors Corporation(SAE J 1739), 1995.

[11]周海京,遇今,故障模式、影响及危害性分析与故障树分析[M].航空工业出版社,2003:1-167.

[12]GJB1391-92，中华人民共和国国家军标[S].

李婳婧（1990—），湖北工业大学机械工程学院硕士研究生在读。

通讯作者：聂磊。

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