CNS 15233「發光二極體道路照明燈具」標準規範淺見

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撰稿人：宜特科技 可靠度工程處Reliability & Failure Analysis Engineering Group.崔革文

在產官學共同合作制定下，經濟部標準檢驗局於97年12月4日發行CNS 15233「發光二極體道路照明燈具」國家標準以供各界參考。就筆者長期工作於可靠度領域之經驗而言，對此規範之發布是一則以喜，一則以憂。喜的是國內LED路燈產業在產品設計與製造上有了參考標準，亦提了一共通性規範以供政府及民間採購時作為驗收之依據，憂的是對於使用於戶外惡劣環境下的路燈而言，規範內所要求之環境與可靠度條件是否足以驗證路燈之長期可靠度則持保守態度。

以下筆者僅以實務經驗嘗試做一些關念上的說明。吾人在產品品質驗證上最常被使用的為「環境試驗」，其概念為任何產品被設計與開發出來並根據該產品在生命週期中可能遭遇的環境條件以實驗室的設備進行模擬以確保其短期的品質，此為產品之最「基本」須滿足的要求，通常講求「試驗項目完整性」及「試驗條件合理性」，這意味著對於使用於室內的產品就產品設計上或環境試驗上較不太需考慮太陽光幅射熱效應(材料裂化)、鹽霧腐蝕性(金屬腐蝕,特別是海島型國家)、化學腐蝕性氣體(大氣中微量硫化物與氯氣等腐蝕效應)與防水/防塵性(IP Code)等。「環境試驗」通常試驗時間不會太長，一但產品在「環境試驗」條件下即發生故障，則該產品之長期可靠度必有問題。

許多產品在評估其長期可靠度壽命上大都採用加速應力(Acceleration Stress)方式來評估其使用壽命與失效機率，最常被引用之應力加速模式為電壓/電流、溫度、溫度循環加速等等。由於戶外環境相形惡劣，對於需長期使用於戶外環境之路燈而言其加速應力壽命之評估更為重要。

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對於產品之可靠度評估，美國國防部電子可靠度顧問小組所賦予定義之部分摘要為：

1.一個產品其功能特性在一定條件與指定時間內不可超過其可接受之失效水準。這是產品在指定環境條件下之使用壽命或失效機率水準。

2.針對不同產品層級(如零件、半成品等)均有確認其可靠度之必要性。基本上成品之可靠度係由零件(Component)、電路板(PCBA)、模組(Module)之可靠度所組成，由於成品複雜度相對高，影響其壽命因素亦多。因此，產品層級愈低時(Component level)其可靠度要求水準則須愈高才能確保組裝成成品後之可靠度水準。

由於環保與節能風興起，筆者觀察到自己所居住的城市不知從何時起在各交通重要路口亦已逐漸換裝成LED交通號誌燈，近期的觀察更發現許多路口號誌燈都出現了局部不亮的情形，在LED的應用上似乎大多數人僅留意到LED省電、節能與環保的優點而忽略了可靠度與壽命問題。對於長期從事可靠度驗證的筆者來說不免有點感觸，因為從路燈規範中無法嗅到有關路燈壽命之相關要求資訊，未來裝設後是否依然會出現類似號誌燈的高故障率及高維修成本問題則有待觀察。

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針對CNS 15233路燈國家標準中有以下幾點筆者認為值得再討論：

1.針對每一試驗項目之樣品數量並無明確定義(樣品數量關係到試驗之信心度水準)。

2.規範中針對LED路燈發光效率分為三個等級，承攬廠商該用第幾等級作為驗證判定基準(發光效率高低直接影響到成本)。

3.以筆者長期服務國內外IT大廠產品驗證之經驗與協助處裡客戶之市場客退產品經驗來說，國外IT大廠均有其嚴謹的環境與可靠度驗證標準。即使如此，產品在市場中都還偶會出現客退問題，對於需長期使用於戶外的LED路燈而言，常溫枯化點燈對路燈之可靠度壽命驗證來說其效益極低，僅是時間上的消耗而已。

4.規範內高溫+50C耐久試驗測試360小時應屬環境試驗概念。假設路燈壽命需求為5年，定義環境溫度為+30C(Ta)，試驗溫度+50C(Tt)，信心度水準為90%並以25個樣品數進行推估，試驗時間約兩個月無失效才符合5年壽命，月失效率約0.6%，五年失效率約31%。

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5.點滅試驗：應評估路燈在高溫與低溫工作條件下之點滅。(依實驗室經驗，若產品在各項與溫度相關試驗中伴隨著點滅試驗將會增加20%-30%缺陷發現機率)

6.路燈低溫下啟動之能力。(以台灣過去10年來所出現最低溫於阿里山-6.2C,基隆當時為4.6C,新竹為5.2C(為當時空氣溫度,未考慮輻射冷效應),若以五年壽命為設計依據,看官們認為路燈之低溫啟動能力之設計應該是幾度呢?)

7.大氣環境變化有其複雜性，特別是針對戶外用產品而言。這表示戶外產品在生命週期中並不會僅僅遭遇到一種環境條件。因此，在規劃「環境試驗」時，需考慮試驗環境條件之順序性並採用系列試驗方式逐一執行才足以確保路燈之品質。

8.全球均推動綠色產品，路燈控制電路板生產組裝是否採無鉛製程? 若是，無鉛製程之可靠度是否亦應納入驗證評估。

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撰稿人：宜特科技 可靠度工程處Reliability & Failure Analysis Engineering Group.崔革文

從今年初以來，許多客戶詢問有關LED可靠度驗證的問題，比較可惜的是來詢問的客戶大都是因為產品在市場中已經發生了問題或是上游交貨給下游後發生問題而轉赴本公司尋求故障分析服務，為什麼不能夠將零件或成品所隱藏的缺陷在產品投入市場前先發現並加以解決呢?

就筆者觀察，長久以來只要談到可靠度驗證，就必須花時間、花錢。而公司決策層只要聽到是花錢的事大都以 "能不做就不做" 帶過，特別是在經濟不景氣的氛圍裡。而公司內擔任可靠度或品質工程的人員除了須滿足 "要馬肥又不給馬吃草" 外，產品一但在市場出了問題還必須背負著 "品質管控不良" 的原罪，令人情何以堪。更令人驚訝的是若產品在市場發生問題時，決策層無論花多大代價，問題一定要解決。嘿，這時花錢好像又不是問題了? 吊詭的是大家不是都知道產品投入市場前發現問題並解決問題才是王道嗎? 市場客退的成本何其大，況且公司的信譽是無價的。

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個人以為，產品品質與可靠度不佳通常有以下幾種原因：

1.管理層未授權支持(有功無賞、打破要賠): 即使可靠度部門做了很好的驗證與管控使得公司產品在市場的客退較低，但也會被要求Cost down，而不會認為是因為落實驗證才使得客退率較低。

2.有些公司的確有進行一些驗證，但是客退依然很多。發生原因大概有以下幾點：

1).忽略了不同任務功能的產品在執行可靠度驗證上對於何種環境應力因子的忍受力最為重要；例如多數人均了解LED產品耐溫性能很重要，但對於產品擁有高電壓、高熱或密閉特性、馬達運轉等考量的產品來說，減氣壓的驗證就變的非常重要。

2).在執行驗證時在手法上有些不足的地方以至於無法於驗證過程中提早發現問題。例如前些時日在客戶案件上採"凝結試驗"手法時進行試驗時時發現LED模組出現短路現象，在短時間的凝結試驗就發生線路短路情形，在長期溫溼度變化環境下之潛在風險堪慮(e.g.電子遷移等)。又有些公司為了滿足防水、防塵需要，除將燈室與散熱模組採隔離設計外，在燈室則使用矽膠做為密封材料，此時矽膠材料之耐候能力就成為關鍵因子之ㄧ。

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3.供應鏈管理知識不足；對於一個成品來說，影響其可靠度因素很多，就LED路燈來說還相對單純(除電源供應模組外，就是LED模組)。對LED戶外看板或交通號誌燈而言，除了電源供應模組、LED陣列模組外，還包括邏輯控制模組與PCBA組裝製程等，更重要的是他們是必須24小時都在工作的狀態下。美國軍方從軍用電子應力篩選驗證計畫結果得知，對於一個設計成熟的產品若在市場發生失效，製程不良因素約佔40-50%。因此，若組裝製程(SMT or Dip)採外包時，除了須具備懂SMT/PC板相關知識的人外，還必須了解該索取哪些驗證數據或執行哪些檢驗才能達到有效管理的目的，對LED的零件選用來說亦是如此。

在LED零件的領域裡，許多公司都以Tj溫度做為溫度驗證基礎，筆者充分了解Tj在LED設計壽命上扮演著舉足輕重的地位，但請問：當三家LED零件供應商每家所提出的試驗數據都是Tj =+100℃條件下符合1000小時的點燈壽命，請問哪一家的LED零件壽命較長? 對LED成品廠商而言，應更關注Ta, If與lm之關係。

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從以上說明可瞭解到對一個LED "成品" 來說，其可靠度為各分項元件之可靠度集合。而全系統中可靠度水準是由此系統中最脆弱的環節來決定。因此，若在產品設計階段即可找出最脆弱的環節並加以改善即可大幅提升產品的可靠度，而要改善缺陷必先找出缺陷，這就是設計驗證的概念。只是多數人都沉迷在 "Testing for Pass" 的文化裡。

要做好成品可靠度管理，設計階段必須落實設計驗證，量產時需做好變異控制及管理，沒有良好的LED零件、PC板與製程可靠度，是不可能有良好的成品可靠度。若公司資源雄厚，則需建立產品供應鏈裡具有不同專業領域的工程人員，否則尋找專業與有經驗的實驗室進行合作應為捷徑之ㄧ。

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Chip123，前輩請教一下，CNS 15233是強制性規範嗎？
如果我的產品有通過CE相關性認證，是否在台灣區販售時還需要CNS 15233，
還請協助解惑。