LED量測標準探究系列(三)

提升LED製造品質/效率 各國LED量測標準迅速展開

作者: 周佩廷 / 殷尚彬 / 黃勝邦
2008 年 05 月 08 日

在標準的類別上,可分為產品標準與量測標準,而在級別上又可分為國際標準、國家標準及行業標準等。以目前影響力最大的LED量測標準之一為例,1997年國際照明委員會(CIE)提出關於LED光學特性的量測技術文件CIE-127,並在這些年來廣為業界及研究單位使用。然而隨高功率LED發展及各種封裝形式與應用增加,1997年的版本已無法作為LED量測之依循準則,且國際規範的制訂流程一向都很緩慢。因此,包括美國、日本、中國大陸等國家亦紛紛制訂符合其國內需求之LED標準規範。
 



CIE/IEC為LED國際標準制定組織
 



目前負責全球LED相關事務的國際標準化代表性組織主要為CIE及國際電工委員會(IEC)。此兩個組織的會員構成須在所轄國內建立組織,稱為國家委員會,而由國家委員會加盟成為構成會員,台灣由於特殊的政治情勢,並未成為這兩個組織的正式會員。




CIE為照明技術領域權威單位
  CIE創立於1913年,前身為國際測光委員會(CIP),其總部位於奧地利的維也納,為國際照明技術領域之權威機構,目前共分為七個技術部門。

CIE對於照明技術的主要貢獻之一在於國際標準化的推廣,其對於色度座標的制訂、光源演色性的評鑑方法、光通量及光強度的量測方法的標準化貢獻良多,而其所產出之文件以技術報告(Technical Report)的型式居多,雖不具強制性質,但由於其權威地位,仍然受到各界的遵從,近來則與國際標準組織(ISO)及IEC合作發表共同標準。

由於LED具有不同於傳統光源的發光特性,隨著LED的應用越來越廣,CIE針對傳統光源制定的量測方法有進行修正的必要,因此CIE在1997年提出編號為127的技術文件「Measurements of LEDs」,即CIE-127。在CIE-127中,CIE提出「平均LED光強度」(Average LED Intensity)概念作為量測LED光強度的一種參考方法,其也對LED全光通量的量測方法作出了建議,然而隨著LED技術的快速發展,尤其對於高功率LED而言,CIE-127提出的量測方法已不足以解決現階段LED量測的問題。因此,CIE陸續成立數個技術委員會解決LED量測之相關問題。這些技術委員會如表1所示,其中以修訂原有的CIE-127為目標的技術委員會TC 2-45「Measurement of LEDs-Revision of CIE 127」已完成修訂工作,並已於2007年以第二版的形式公布CIE-127:2007。在修訂版中最大的改變為提出部分LED光通量(Partial LED Flux)概念,雖然如此,CIE-127:2007仍然無法解決許多目前高功率LED所遇到的量測難題。因此研究小組R 2-36「Measurement requirements for solid state light sources」便希望能針對目前在固態照明量測上所遇到之問題進行探討,以進一步成立技術委員會作準備。













表1 CIE與LED相關之技術委員會(部分)
部門 TC編號 名稱
部門1 TC 1-62 色彩白光LED光源(Color rendering of white LED light sources)(已完成)
部門2 TC 2-45 測量LED-修改Cie 127(Measurement of LEDs-Revision of CIE 127)(已完成)
TC 2-46 LED強度測量之CIE/ISO標準(CIE/ISO standards on LED intensity measurements
TC 2-50 集群與陣列之光學性質測量(Measurement of optical properties of LED clusters & arrays)
TC 2-58 LED光芒和亮度的測量(Measurement of LED radiance and luminance)
R 2-36 固態光的測量要求(Measurement requirements for solid state light)
部門4 R 4-22 LED在視覺訊號的使用(Use of LEDs in visual signaling)
部門6 TC 6-47 燈和燈系統的光生物安全(Photobiological safety of lamps and lamp systems)(已完成)
TC 6-55 發光二極體(Light emitting diodes)


資料來源:CIE


除了上述的技術委員會之外,其他相關的委員會如CIE TC 1-62是負責研究白光LED的演色性,該委員會已完成制訂工作,並已提出技術文件CIE-177「Colour rendering of white LED light sources」;CIE TC2-46「CIE/ISO standards on LED intensity measurements」此技術委員會主要目的在於將CIE所提出LED平均光強度量測方法稍做修改,並作為ISO的規範。近來CIE亦成立TC2-50「Measurement of the optical properties of LED clusters and arrays」以對LED陣列及模組的定義及其量測方法進行研究及標準化。




IEC著眼LED安全規範
  IEC創立於1906年,其總部位於瑞士日內瓦,其為最早的國際電工標準化機構,目的在於促進統一國際的電工標準,加速電子工程領域的標準化工作。與CIE不同的地方在於,IEC將LED視為會發光的電氣元件,因此較為注重其電氣及安全性之考量,以LED模組為例,目前已對其完成四項標準,如表2所示。








表2 目前IEC對LED模組相關之標準
公布條文 名稱
IEC 60838-2-2 Miscellaneous lampholders – Part 2-2: Particular requirements – Connectors for LED-modules
IEC 61347-2-13 Lamp controlgear – Part 2-13: Particular requirements for d.c. or a.c. supplied electronic controlgear for LED modules
IEC 62031 LED modules for general lighting – Safety specifications
IEC 62384 DC or AC supplied electronic control gear for LED modules – Performance requirements

資料來源:IEC


全球各國亦訂定相關規範
 



除了上述國際標準訂定組織外,全球各國對於LED也有相關法規制定。




美國力推固態照明計畫
  美國對於LED量測標準的關注在固態照明產業的發展上,主要領導的政府單位是美國能源部(DOE),推動重點在於加速固態照明產品進入照明市場的時程,而LED標準制訂的部分,則是附屬在由能源效率及再生能源辦公室(EERE)進行的固態照明計畫下。由於原有的量測標準已不適用於LED的量測,因此美國能源部於2006年3月組織了工作會議,召集重要的標準組織,如CIE、IEC、北美照明學會(IESNA)、美國國家標準組織(ANSI)、美國電氣用品生產者協會(NEMA)、美國國家標準與技術研究院(NIST)、加拿大標準協會(CSA)和優力安全認證(UL)。審視現有LED標準和量測方法的不足後,配合已出爐的能源之星(Energy Star)固態照明燈具標準,將搭配相對應之工業測試標準,而與LED的性能標準和量測方法相關的標準,將以CIE之技術文件作為參考依據,並由ANSI及IESNA負責制訂適合於固態照明LED之量測標準。其中眾所矚目的標準項目包含,ANSI C78-377A是針對不同相關色溫下的白光LED色度規範、IESNA LM-79是固態照明產品的電性與光度量測方法、IESNA LM-80則為LED光源的光衰特性(壽命)測試方法。表3為美國能源部對於固態照明產品性能及量測標準項目的一覽及相關說明,由於其所對應之能源之星固態照明燈具標準已公布,因此這些標準預期將近日內會正式出版。











表3 美國能源部公布之固態照明產品性能及量測標準項目一覽
公布條文 名稱
IESNA RP-16 Nomenclature and Definitions for Illuminating Engineering Addendum
IESNA TM-16-05 IESNA Technical Memorandum on Light Emitting Diode (LED) Sources and Systems
IESNA LM-79 IESNA Approved Method for the Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products
IESNA LM-80 IESNA Approved Method for Measuring Lumen Depreciation of LED Light Sources
ANSI C78.377A Specifications for the Chromaticity of Solid State Lighting Products
ANSI C82.XX1 Power Supply
ANSI C82.77-2002 Harmonic Emission Limits – Related Power Quality Requirements for Lighting


資料來源:美國能源部


除了由官方推動的固態照明計畫之外,由美國壬色列理工學院(RPI)的照明研究中心(LRC)結合各大廠商及研究單位於2002年成立固態照明系統及科技聯盟(ASSIST),也於2005年提出一般照明用LED的壽命評估技術文件,並分別於2006年及2007年進行修訂。該文件的特色是定義LED的壽命評估值,並且對於LED元件與系統,以及高低功率的LED皆作出定義。




日本著重照明用LED標準
  相對於美國積極推展固態照明產品的市場化,身為全球最大LED產值國的日本,近年來較著重照明用白光LED標準化之推動,進展亦相當快速。2004年,便已出版由各大LED及照明業者結合,由日本照明學會(JIES)、日本照明委員會(JCIE)、日本照明器具工業會(JIL)、日本電球工業會(JEL)等四大團體聯合制訂之共同標準規範「照明用白光LED測光方法通則」,且在2006年推出修訂版本,該版本最大的特點是在於其詳細訂定標準白光LED的規格,並以標準LED作為量測之比較標準。此外,JCIE也成立LED光源生物體安全性研究小組,並且發表「LED光源之生物安全性規格化報告」與「照明用白光LED安全性要求事項」,而電球工業會則制訂「照明用白光LED裝置性能要求事項」,意味著日本LED標準已漸漸邁向產品標準,而在積極推動之下,「照明用白光LED測光方法通則」及「照明用白光LED裝置性能要求事項」已於2007年7月分別成為日本工業標準(JIS)及標準規格文件(TS)。

而為了整合日本國內LED業者及研究單位,且加速推動固態照明之普及化,日本在2007年成立非營利活動法人LED照明推進協議會(JLEDS),除整合照明學會、照明器具工業會、電球工業會及照明委員會等團體之LED標準制訂工作外,同時也對LED晶粒製作技術、壽命評估方式、可靠度、散熱、光學特性與特殊照明應用等領域更深入研究,期望能更提升日本的LED製作水準。




中國大陸參考國際標準
  中國大陸在「十五計畫」(第十個五年國民經濟計畫)中,確立發展半導體照明之關鍵技術,其中由科技部聯合信息產業部成立「半導體照明標準工作指導委員會」,重點在於加強LED上下游產業之標準制訂工作。而於2005年成立的信息產業部半導體照明技術標準工作組業已完成三項LED行業標準,分別為半導體發光二極管測試方法、半導體光電子器件功率發光二極管空白詳細規範(草案)及功率半導體發光二極管芯片技術規範(草案)。

其中在「半導體發光二極管測試方法」中,規定較為完整的測試方法,其中包含輻射度學與光度學、色度學、電性和熱學參數等。在此標準中,對於光度與色度學的部分,仍遵循CIE所建議的量測方式,而與其他標準較為不同的地方,是其加入了LED熱阻量測之規範,也同時加入了LED靜電放電的ESD測試。而在2007年底召開的半導體照明技術標準工作組第四次成員大會,決議送審七項半導體照明技術電子行業標準,如表4所示。











表4 中國信息產業部半導體照明技術標準工作組2007年送審標準項目
編  號 名稱
S07006-T 半導體照明術語和定義
S07007-T 半導體光電子器件  小功率發光二極管空白詳細規範
S07008-T 半導體發光二極管用螢光粉
S07009-T 半導體發光二極管芯片測試方法
S070010-T 氮化 鎵基發光二極管用藍寶石襯底片
S070011-T 半導體發光二極管產品系列型譜
S070012-T 功率半導體發光二極管晶片技術規範


資料來源:中國信息產業部電子工業標準化平台


由於中國的LED產業發展相當快速,因此在半導體照明標準工作指導委員會的指導下,由「國家半導體照明工程研發及產業聯盟」於2007年成立「聯盟標準化協調推進工作組」,以負責協調中國的LED標準進度。而目前最新進展是由「全國照明電器標準化技術委員會」提出的普通照明用LED國家標準及行業標準,這些標準目前都在送審階段,預計於2008年正式通過,如表5所示。



















表5 2008年中國普通照明用LED標準列表(部分)

國家標準計畫
項目編號 項目名稱 標準性質 採用國際標準
20070403-Q-607 燈的控制裝置 第14部分: LED模組用直流或交流電子控制裝置的特殊要求 強制 IEC 61347-2-13:2006 Ed.1.0
20070405-Q-607 雜類燈座 第3部分:LED模組用連接器 特殊要求 強制 IEC 60838-2-2:2006
20067479-T-607 普通照明用LED測試方法 推薦 CIE 127:1997
20072781-T-607 普通照明LED模組用直流/交流電子控制裝置 性能要求 推薦 IEC 62384:2006 Ed.1.0
20079261-T-607 道路照明用LED燈 推薦  
20079282-T-607 普通照明用LED燈和LED模組術語和定義 推薦  
20079283-T-607 普通照明用LED模組 安全要求 強制 IEC 62031
20079284-T-607 普通照明用LED模組 性能要求 推薦  
20079285-T-607 普通照明用電壓>50V自鎮流LED燈安全要求 強制  
20079286-T-607 普通照明用電壓>50V自鎮流LED燈性能要求 推薦  
20079297-T-607 裝飾照明用LED燈 推薦  
行業標準計畫
項目編號 項目名稱 標準性質 採用國際標準
Q2005-036T 普通照明用發光二極體性能要求 推薦  


資料來源:中國全國照明電器標準化技術委員會


中國大陸之LED標準制訂方向,主要仍參考CIE、IEC及美國等主要LED標準制訂單位。而由於應用面的需求,雖然在LED標準上仍位於追隨者的地位,但在科技部的主導之下,也已開始制訂特殊應用需求的LED產品標準,如廈門市率先制定了「夜景工程半導體照明器件部件產品技術規範」,而國家半導體照明工程研發及產業聯盟也於2008年初發布了「整體式LED路燈的測量方法」之徵求意見稿,這些都是值得產業界注意的部分。




台灣僅完成交通號誌LED燈標準
  目前台灣在LED交通號誌燈之標準較為完備,但尚無針對高功率及照明LED的標準規範,有鑑於此,經濟部於2007年整合國內上中下游LED照明業者成立「LED照明標準及品質研發聯盟」。由中國電器、晶元光電、光寶科技、中盟光電、齊瀚光電、維明企業及一詮精密等七家廠商組成,期望整合照明燈具業者、光源系統廠商、LED元件、模組廠、晶粒廠、封裝材料與測試設備廠等業者,結合工研院標準制訂經驗,建立一套完整的LED照明標準,而在台灣其他公協會之協助下,以擴大業者參與制訂LED照明標準規範為目標,透過交流討論,完成從晶粒、元件模組、光源系統到照明燈具所需之品質測試程序與量測規範草案,藉以提升國內LED之製造水準及檢驗品質。

由於標準的目的在於加強生產之一致性、提升品質、並增進生產效率,若欲提升LED之製造品質,在全球化的競爭脫穎而出,標準是一項不可或缺的工具。因此LED標準制訂的進度各國政府及業界皆非常重視,台灣目前之LED產量為世界第一,因此也不該在LED標準的制訂過程中缺席。


(本文作者周佩廷與黃勝邦任職於工研院電光所、殷尚彬為明新科技大學光電系統工程系助理教授)

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