ANSI/IES TM-26-20
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАТАСТРОФИЧЕСКОГО ОТКАЗА СВЕТОДИОДНЫХ КОМПЛЕКТОВ

Стандартный №

ANSI/IES TM-26-20

Дата публикации

2020

Разместил

American National Standards Institute （ANSI)

сфера применения

Обзор стандарта и техническая информация

ANSI/IES TM-26-20, «Утвержденная методология прогнозирования катастрофических отказов в светодиодных корпусах», — это технический меморандум, официально утвержденный и выпущенный Американским национальным институтом стандартов (ANSI) и Обществом светотехников (IES) 23 апреля 2020 года. Этот стандарт заполняет существенный пробел в области оценки надежности светодиодов, основываясь на методе прогнозирования сохранения светового потока, представленном в ANSI/IES TM-21-19, и устанавливает стандартизированную структуру прогнозирования, специально предназначенную для катастрофических отказов в светодиодных корпусах.

С широким распространением светодиодных технологий на мировом рынке освещения срок службы и надежность продукции стали ключевыми показателями, вызывающими общую озабоченность у производителей, проектировщиков и конечных пользователей.

Традиционные методы оценки срока службы источников света больше не могут удовлетворять особым потребностям светодиодных устройств, особенно учитывая их крайне низкую частоту отказов (обычно порядка одной части на миллион или одной части на миллиард часов). Разработка стандарта TM-26-20 заняла много лет и проводилась под руководством Комитета по процедурам испытаний IES. Она объединила консенсус экспертов из числа производителей светодиодных корпусов, производителей осветительных приборов, испытательных учреждений и академических кругов, отражая новейший технологический уровень в области проектирования надежности светодиодов.

---

Основные концепции и определения

Стандарт сначала устанавливает точную систему технической терминологии, закладывая основу для последующих методов анализа:

Катастрофический отказ корпуса светодиода

Определяется как «состояние, в котором корпус светодиода не излучает свет при включении питания».

Это определение имеет существенные инженерные последствия:

• Ориентированный на отказ: фокусируется на полной потере функции излучения света, а не на ухудшении характеристик.
• Особый подход к многочиповой упаковке: уточняет, что отказ одного чипа в многочиповом корпусе не считается катастрофическим отказом, если устройство в целом все еще может излучать свет.
• Обнаруживаемость: состояние отказа может быть подтверждено простым фотоэлектрическим детектором.

Частота отказов (FIT)

Определяется как «частота катастрофических отказов в корпусе светодиода, выраженная как количество отказов на миллиард (10⁹) часов работы».

Выбор этой единицы измерения отражает высокие характеристики надежности светодиодных устройств: Адаптируемость по порядку величины: соответствует фактическим показателям отказов светодиодов (обычно в диапазоне 1-1000 FIT) Универсальность в отрасли: продолжает традиционную единицу измерения в полупроводниковой промышленности Удобство расчета: облегчает прогнозирование надежности и расчет гарантийных случаев

---

Теория кривой «ванны» и анализ стадий отказов

Глава 4 стандарта систематически рассматривает применение классической модели «кривой ванны» в анализе отказов светодиодов, разделяя жизненный цикл светодиода на три характерных этапа:

Ранний период отказов

Стадия отказа	Временной диапазон	Характеристики отказов	Основные причины	Инженерные меры противодействия
От часов до сотен часов	Быстро снижающаяся частота отказов	Производственные дефекты, дефекты материалов, колебания процесса	Проверка на прочность, оптимизация процесса
Период стабильной частоты отказов	Основной срок службы (обычно десятки тысяч часов)	Относительно постоянная частота отказов	Случайные внутренние отказы, отказы, связанные со стрессом	Проектирование надежности, снижение нагрузки
Период износа	Окончание срока службы	Быстро возрастающая частота отказов	Старение материала, деградация интерфейса, термическая усталость	Конструкция на конец срока службы, профилактическая замена

Стандарт особо подчеркивает, что TM-26-20 в первую очередь фокусируется на прогнозировании **периода стабильной частоты отказов**, поскольку это основной этап, который светодиодные изделия испытывают в реальных условиях эксплуатации. Вероятность отказа на этом этапе может быть смоделирована с помощью экспоненциальной кумулятивной функции распределения (КФР): F(t) = 1 - exp(-λt), где t — время (часы), а λ — частота отказов в час. Эта математическая модель обеспечивает теоретическую основу для последующего количественного прогнозирования.

---

Сравнительный анализ трех методов прогнозирования отказов

В главе 5 стандарта подробно описаны три взаимодополняющих метода прогнозирования, каждый из которых подходит для различных сценариев применения и условий данных:

Метод 1: Метод табличного представления

Это наиболее интуитивно понятный метод инженерного применения, непосредственно предоставляющий показатель FIT при различных условиях эксплуатации в виде двумерной таблицы. Стандарт предоставляет два примера формата таблицы:

Пример таблицы 5-1: Коэффициент отказов, зависящий от температуры перехода
Прямой ток IF	Коэффициент отказов при температуре перехода Tj (отказ/10⁹ часов)
IF,DC Макс	По мере увеличения Tj от -10°C до Tj,max (например, 100°C), FIT увеличивается от 100 до 1000
IF,DC Номинальное значение 1	В том же диапазоне Tj FIT увеличивается от 20 до 600

Преимущества: Данные интуитивно понятны и легко доступны инженерам-проектировщикам освещения; не требуются сложные вычисления; подходят для подтверждения надежности в технических характеристиках продукции.

Ограничения: Ограниченное количество точек данных, невозможно экстраполировать на условия эксплуатации, не охваченные таблицей; требуется существенное экспериментальное подтверждение. Метод 2: Модель А – Метод коэффициента напряжения. На основе стандарта SN 29500-12 частота отказов рассчитывается с использованием аналитической модели: λ = λ_ref × π_I × π_T. Температурный коэффициент напряжения π_T: Используя модель Аррениуса π_T = exp[E_a/k_B × (1/T_Jr - 1/T_J)], где E_a – энергия активации (стандартное рекомендуемое значение 0,65 эВ), а k_B – постоянная Больцмана (8,6173 × 10⁻⁵ эВ/К).

Коэффициент текущего напряжения π_I: Эмпирическая формула

Когда I/I_max ≥ 0,5: π_I = exp{C₄[(I/I_max)^C₅> - (I_ref/I_max)^C₅>]}

Стандарт дает типичные параметры: когда I_ref/I_max = 0,5, C₄ = 1,4, C₅ = 8.

Метод 3: Модель B – Статистический вывод на основе стандартов JESD85 и JESD74A, статистический Выводы выполняются с использованием распределения хи-квадрат: λ = χα²(2r+2) / (2t) × 10⁹, где r — количество наблюдаемых отказов, t — эквивалентное количество часов работы устройства (t = n×ttest×πT), а χα² — значение распределения хи-квадрат.

Текущий коэффициент напряжения Используя модель Аллина:

π_I = A_{Tα exp[Ea/kB × (B + C/Tj) × S1]}

Размеры сравнения	Метод 1: Табличный метод	Метод 2: Модель A	Метод 3: Модель B
Требования к данным	Большое количество экспериментальных точек данных	Эталонная частота отказов + параметры напряжения	Ускоренное испытание на долговечность Данные
Вычислительная сложность	Нет (прямой поиск в таблице)	Средняя (аналитические вычисления)	Высокая (статистический вывод)
Способность к экстраполяции	Нет (только условия таблицы)	Высокая (на основе физической модели)	Средняя (на основе статистической модели)
Выражение достоверности	Неявно в данных	Требует отдельной отчетности	Встроенное распределение хи-квадрат
Применимо этап	Определение спецификации продукта	Прогнозирование на этапе проектирования	Проверка надежности

---

Углубленный анализ распределения Вейбулла

В стандартном приложении A систематически рассматривается применение анализа Вейбулла для прогнозирования отказов светодиодов, что является одним из наиболее мощных статистических инструментов в инженерии надежности.

Двухпараметрическое распределение Вейбулла

Кумулятивная функция распределения:F(t) = 1 - exp[-(t/η)β]

• Параметр масштаба η: Характеристический срок службы, т.е. момент времени, когда выходит из строя 63,2% устройства
• Параметр формы β: Ключевой параметр, определяющий отказ режим

β < 1: Ранний отказ (снижение частоты отказов)

β = 1: Случайный отказ (постоянная частота отказов, вырождается в экспоненциальное распределение)

1 < β ≤ 4: Ранний износ (увеличение частоты отказов)

β > 4: Быстрый износ (быстрое увеличение частоты отказов)

Графический метод Вейбулла

С помощью логарифмического преобразования:ln[-ln(1-F)] = β[ln t - ln η]

В двойной логарифмической системе координат можно получить прямую линию, наклон которой равен β, а точка пересечения связана с η. Стандарт демонстрирует полный процесс анализа с использованием примеров данных в таблице A-1:

Накопленная частота отказов F (%)	Время t (ч)	ln[-ln(1-F)]	ln(t)
0.01	450	-9.21	6.11
0.02	1118	-8.52	7.02

Коэффициент ускорения Расчет

Анализ Вейбулла можно использовать для расчета коэффициента температурного ускорения: AF = η_n/η_a

Стандарт подчеркивает, что анализ коэффициента ускорения действителен только тогда, когда значение β остается стабильным при различных условиях напряжения. Значительные изменения значения β указывают на изменение режима отказа, в этот момент ускоренная модель может выйти из строя.

Анализ Вейбайеса

Для наборов данных, содержащих цензурированные данные, когда значение β известно, можно использовать оценку максимального правдоподобия:

η = [Σ(t_i^β)/r]^1/β

В частности, для случая нулевого отказа (r=0) консервативную оценку «первый отказ неизбежен» можно сделать, установив r=1. Это предоставляет практический инструмент для проверки расчетного срока службы.

---

Рекомендации по стандартной реализации и технические моменты

Строгое указание единиц измерения температуры

Стандарт 5.2 четко устанавливает, что все температуры должны быть переведены в Кельвины (K), прежде чем их можно будет использовать в расчетах. Формула перевода: T[K] = T[°C] + 273,15. Это требование вытекает из зависимости уравнения Аррениуса от абсолютной температуры; игнорирование этой детали приведет к значительным ошибкам в расчетах.

Важность измерения температуры перехода

Независимо от того, модель это A или модель B, температура перехода T_j является основным входным параметром. В стандарте в качестве стандартного метода измерения температуры перехода указан JESD51-51. В практической инженерной практике необходимо комбинировать терморезистор, инфракрасный тепловизор или метод измерения электрических параметров для точного определения температуры перехода.

Требования к отчетности об уровне достоверности

Стандарт требует, чтобы все результаты прогнозирования содержали информацию об уровне достоверности. Для метода 3 это отражается параметром α в распределении хи-квадрат; для других методов информация о достоверности должна предоставляться посредством дополнительных пояснений или анализа ошибок. В типичной промышленной практике используются уровни достоверности 60% или 90%.

Принцип разделения режимов отказов

Когда на графике Вейбулла наблюдается «изгиб», это указывает на наличие нескольких механизмов отказа. Стандарт подчеркивает, что каждый режим отказа должен анализироваться отдельно, а данные об отказах для других режимов должны быть цензурированы. Этот принцип имеет решающее значение для точного понимания надежности продукции.

---

Примеры применения в промышленности

Пример 1: Расчет гарантийного срока для уличных светильников

Определенный производитель светодиодных уличных светильников использует светодиоды в корпусе 3030 с рабочими условиями: температура перехода 85°C и ток 350 мА (I_max=700 мА).

Для прогнозирования используется метод 2: Эталонные условия: T_Jr = 45°C, I_ref = 350 мА, λ_ref = 50 FIT Температурное напряжение: π_T = exp[0,65/8,6173e-5 × (1/318,15 - 1/358,15)] = 8,2 Токовое напряжение: I/I_max = 0,5, π_I = 1. Прогнозируемая частота отказов: λ = 50 × 8,2 × 1 = 410 FIT. Для 5-летнего (43 800 часов) гарантийного периода вероятность отказа одного светодиода составляет: F = 1 - exp(-410e-9 × 43800) = 1,8%. Учитывая, что в светильнике используется 100 светодиодов, вероятность отказа на системном уровне значительно возрастает, что обеспечивает количественную основу для гарантийных стратегий.

Случай 2: Разработка теста проверки нулевого отказа

Определенному поставщику автомобильных светодиодов необходимо проверить срок службы B10 в 50 000 часов (10% кумулятивных отказов).

Учитывая β=1,2, используя анализ Вейсса: по формуле: t_i = [-t_d^β/(N×ln(1-F))]^1/β, получаем: N = 79 (6000 часов тестирования, ноль отказов). Этот случай демонстрирует, как проверить долгосрочные цели надежности с ограниченным размером выборки и разумным временем тестирования, значительно снизив затраты на проверку.

---

Перспективы технологической эволюции и разработки стандартов

Технологическое расширение от TM-21 до TM-26

TM-26-20 и TM-21-19 представляют собой полную систему для оценки надежности светодиодов:

Стандарты	Объекты оценки	Основа данных	Результаты работы	Инженерные приложения
ANSI/IES LM-80-20	Световой поток и сохранение цвета	Испытание в течение 6000-10000 часов	Измеренная кривая затухания	Тест производительности
ANSI/IES TM-21-19	Долгосрочное поддержание светового потока	Данные LM-80 + модель экстраполяции	Срок службы L70/L80	Прогнозирование срока службы
ANSI/IES TM-26-20	Катастрофический отказ	Ускоренное тестирование срока службы + статистическая модель	Скорость FIT, кумулятивный отказ	Прогнозирование надежности

Будущие технологические вызовы

По мере расширения светодиодных технологий в новые области, такие как мини/микро светодиоды, УФ-светодиоды и В автомобильных светодиодах стандарт TM-26-20 сталкивается с новыми вызовами:

• Новые механизмы отказов: Новые явления, такие как перегрузка тока, термическое гашение и дрейф длины волны, требуют расширения определения отказа
• Многофакторное взаимодействие: Взаимодействие температуры, тока, влажности и механических нагрузок требует более сложных моделей.
• Чрезвычайно высокие требования к надежности: Аэрокосмическая, медицинская и другие области требуют показателей FIT ниже 0,1, а существующие методы недостаточно чувствительны.
• Интеллектуальное прогнозирование: Прогнозирование надежности в реальном времени путем объединения данных IoT и машинного обучения.

Направления пересмотра стандарта

В соответствии с требованиями ANSI к пятилетнему пересмотру стандарта TM-26 ожидается его развитие в следующих направлениях:

1. Включение большего количества физики отказов (PoF) модели для уменьшения зависимости от эмпирических параметров.
2. Добавление методов ускоренных испытаний с многократным воздействием стрессовых факторов для повышения точности прогнозирования.
3. Установление связей со стандартами фотобиологической безопасности, такими как IEC 62471.
4. Предоставление вычислительных инструментов с открытым исходным кодом и стандартизированных форматов данных.

---

Выводы и рекомендации по передовой практике

Стандарт ANSI/IES TM-26-20 предоставляет светодиодной промышленности первую систематическую стандартную основу для прогнозирования катастрофических отказов. Его внедрение и применение должны следовать следующим принципам: Стратегия выбора метода. Этап ранней разработки продукта: используйте Метод 2 для оценки запаса прочности конструкции. Этап определения спецификации: используйте Метод 1 для предоставления данных спецификации заказчику. Проверка надежности: отдавайте приоритет Методу 3 в сочетании с анализом Вейбулла. Долгосрочный мониторинг: создайте базу данных отказов в полевых условиях и постоянно калибруйте параметры модели. Обеспечение качества данных: обеспечьте репрезентативность и статистическую значимость тестовых образцов (обычно n≥30). Строго контролируйте условия испытаний, особенно точность измерения температуры перехода. Полностью регистрируйте режимы отказов и проводите анализ отказов (ФА) для выявления первопричин. Создайте систему отслеживания данных для связи производственной партии и данных о надежности. Инженерная интеграция приложений.

Объединение прогнозов TM-26 и TM-21 для расчета MTBF на системном уровне

Оптимизация тепловой конструкции, тока привода и коэффициента снижения мощности на основе результатов прогнозирования

Создание динамической модели гарантии и ее корректировка в режиме реального времени на основе данных о доходности рынка

Участие в инициативах по обмену отраслевыми данными для совместного повышения точности моделей прогнозирования

Стандарт TM-26-20, являясь важной вехой в области проектирования надежности светодиодов, не только предоставляет технические методы, но и пропагандирует культуру принятия решений на основе научных данных. Благодаря более глубокому пониманию стандарта и накоплению опыта внедрения в отрасли, надежность светодиодной продукции претерпит фундаментальный сдвиг от «эмпирической оценки» к «точному прогнозированию», что в конечном итоге приведет всю светотехническую отрасль к повышению качества и большей устойчивости.

Специальные темы по стандартам и нормам

стандарты и спецификации

ANSI/IES TM-26-20 - Все части