一種基于溫度加速的LED產品壽命快速評價方法

魏嬌，張衛婷

（咸陽職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

一種基于溫度加速的LED產品壽命快速評價方法

魏嬌，張衛婷

（咸陽職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

針對LED照明產品，提出一種壽命快速評價的方法。通過對樣品在3種溫度應力水平下進行加速壽命實驗，以光通量的衰減作為失效判據，并對實驗結果進行了分析，以威布爾分布來描述產品的壽命分布，利用最小二乘法和阿倫尼斯模型對試驗數據進行統計分析，最終外推得出正常應力水平下產品的壽命。

LED；壽命；加速試驗；光通量

隨著半導體發光二極管（LED）技術的迅速發展，LED照明光源的光效在不斷提高，成本不斷下降，與普通的白熾燈、熒光燈等相比，其發光效率高，節能性好，壽命長，已經被大家廣泛認可，并稱為第四代照明光源，市場潛力巨大，正處于快速發展的階段。目前LED的生產標準和檢測體系還不太完善，特別是其壽命的檢測方法，目前還沒有統一的標準，導致各個企業形成自己的可靠性試驗規范，也使得市場上的LED產品質量參差不齊[1]。本文通過對LED照明產品進行溫度加速壽命實驗，結合相關理論，得出一種LED照明產品壽命快速評價的方法，對有效縮短LED照明產品壽命檢測時間有很大的意義。

1 產品可靠性原理

產品的可靠性研究對提高產品的性能，改善產品的質量，促進產品的發展具有重要的意義，產品的可靠性是指在一定的工作時間和工作環境下，產品完成規定功能的能力。對產品的可靠性研究主要通過可靠性試驗來進行，壽命試驗是可靠性試驗中非常重要的一個試驗，有加速壽命試驗，老化試驗等。隨著高可靠性產品越來越多，加速壽命試驗被大家廣泛使用[2]。

從上世紀五十年代，為了對產品的可靠性進行評價和分析，研究人員通過對各種統計模型進行深入研究，建立起了很多種相關的可靠性模型。可靠性模型，是對系統(或元件)失效特征的數學描述。壽命分布模型是可靠性模型中一個主要的模型，所謂壽命分布模型是指一個壽命分布函數，通過用概率語言來描述系統輸出量的一個數學表達式。常見的有以下3種[3]。

指數分布模型，表達式為：

威布爾分布模型，表達式為：

對數正態分布模型，表達式為：

在科學技術飛速發展的今天，產品的可靠性在不斷的提高，壽命不斷的延長，常規的壽命試驗往往需要很長的時間，而且很難對產品的可靠性指標做出及時準確的評價，所以加速壽命試驗就顯得特別重要。加速壽命試驗根據所施加應力水平的不同，可分為恒定應力加速壽命試驗、步進應力加速壽命試驗、序進應力加速壽命試驗。其中，恒定應力加速壽命試驗是最常用、最成熟的一種試驗方法，并且被IEC標準所采用，其試驗因素比較單一，數據處理相對簡單，試驗結果準確性較高[4-5]。

在加速壽命試驗中，很重要的一步就是要得到產品的特征壽命和加速應力水平之間的函數關系，也就是建立一種加速模型，利用加速模型，就可以對產品正常應力水平下的壽命特征進行外推，從而達到加速壽命試驗的目的。目前比較常見的有阿倫尼斯模型、逆冪律模型和艾林模型。

阿倫尼斯模型主要用來表示溫度應力與產品壽命之間的函數關系，其表達式為：

逆冪率模型主要用來表示電流、電壓、功率等電應力與產品壽命之間的函數關系，其表達式為：

艾林模型主要用來表示復合應力（如電應力和溫度應力同時作用）與產品之間的函數關系，表達式為：

2 實驗方法

2.1 實驗參數確定

通過分析，實驗各項參數確定如下[6]：

1)選擇恒定溫度應力加速壽命實驗，其應力水平分別為60℃(333.15 K)、80℃(353.15 K)、100℃(373.15 K)；

2)加速壽命實驗的失效判據：光通量衰減為初始光通量的70%；

3)壽命分布模型選用威布爾分布模型；4)加速模型選用阿倫尼斯模型；

2.2 實驗樣品

以3W大功率LED球泡燈為樣品，在對一種LED照明產品的壽命檢測過程中，至少需要選擇30個樣品，每個應力水平下10個樣品。為保證每個樣品質量合格，實驗前應先進行至少24小時的老化實驗，剔除不合格樣品以及非正常失效樣品。

2.3 實驗過程

1)樣品編號

為了方便實驗以及數據記錄，對選好的樣品要進行編號處理，編號為：60-X、80-X、100-X（X=1、2、3…10）。

2)初始光通量測量

用積分球配合光譜測試儀對每個實驗樣品的初始光通量進行測量，并按編號記錄好數據。

3)溫度應力加速實驗

分別在恒定溫度60℃，80℃、100℃，對樣品進行加速老化。0～200小時，每隔100小時測量一次樣品的光通量；200～500小時，每隔50小時測量一次樣品的光通量；直至總計500小時止，每次測試均要準確記錄測試數據。實驗前必須要檢查外部電路接線正確，并做好相應的防護措施，避免短路。

3 數據處理過程

本文中主要以60℃溫度應力下所得的數據為例來進行說明，80℃、100℃溫度應力下數據處理過程是相同的。

3.1 數據基本分析

運用“光功率衰減模型”對實驗數據進行基本分析，根據初始光通量與t小時后的光通量，計算出實驗樣品光通量的衰減系數以及在不同應力水平下樣品的加速壽命。

光功率衰減模型表示為：

式中：P0為初始光功率；

Pt為工作t小時后的光功率；

β為光衰減系數（退化系數）。

表1 60℃實驗數據以及分析結果Tab.1 The test data and analysis results in 60℃

3.2 數據處理

1)數據排序

分別對3個應力水平下所計算出的樣品加速壽命進行從小到大排序。

2)計算相關參數

F(t)可用下面的中位秩公式進行計算：

式中：n表示實驗樣品總數；

j表示對應t時間的累計失效樣品數。

表2 60℃數據處理結果Tab.2 The data processing results in 60℃

3.3 數據擬合

最小二乘法的表達式為：

圖1 60℃數據擬合的直線Fig.1 Data fitting a straight line in 60℃

表3 3種溫度應力下擬合直線數據Tab.3 The fitting line data in three levels

3.4 壽命評估

1)各應力水平下的壽命評估

根據擬合的直線參數，計算出實驗樣品在各個溫度應力水平下的特征壽命。

計算公式為：

其中：a和b分別是各個溫度應力下擬合直線的斜率和截距。

2)正常應力水平下的壽命評估

根據阿倫尼斯加速模型，由每個應力水平下實驗樣品的特征壽命外推得出正常應力水平下產品的特征壽命。

外推公式為：

式（11）是根據阿倫尼斯模型變換所得。

4 結論

本文通過對樣品在3種應力水平下進行加速壽命實驗，再通過相關理論對數據結果進行了處理，最終由3種應力水平外推得出正常溫度下產品的特征壽命，分別是：43 441.48小時，44 897.24小時，41 964.37小時，結果比較接近，驗證結果的有效性。

文中提出的方法有效的縮短了加速壽命實驗的時間，具有一定的可行性，但也存在很多缺點和不足。一是只以LED照明產品的光通量衰減情況作為失效依據具有一定的片面性，對LED照明產品來說，他的壽命可能主要是由產品非正常失效所引起的，比如燈的壽命受驅動電源的影響很大，而本文對產品的驅動電源失效情況沒有考慮。二是在實驗過程中存在不確定性，壽命試驗是對于時間參數的測量，對于加速壽命試驗而言，非常小的輸入誤差就很可能導致輸出結果比較大的偏差，包括測量儀器、測量人員、測量環境、測量方法等，都會對測量結果造成不同程度的誤差。由于目前行業內還沒有形成比較統一的試驗規范，本方法對后續LED照明產品壽命的研究方面具有一定的參考意義。

表4 3種溫度應力下的壽命特征以及正常溫度下壽命特征Tab.4 The life of three levels and norm ally

[1]張偉，華樹明，鞏馬理,等.LED照明產品壽命測試評價方法研究現狀[J].照明工程學報，2013,24(1)：42-47. ZHANG Wei,HUA Shu-ming,GONG Ma-li,et al.Researchingprogress on lifetime evaluation method of LED lighting products[J].China Illuminating Engineering Journal,2013,24 (1)：42-47.

[2]Pecht M G,Kailash C,康銳,等.可靠性工程基礎 [M].北京：電子工業出版社，2011.

[3]楊輝．LED可靠性試驗與壽命分析模型研究[D]．杭州：杭州電子科技大學，2012.

[4]陳循,陶俊勇,張春華.可靠性強化試驗與加速壽命試驗綜述[J].國防科技大學學報,2002,24(4):28-32. CHEN Xun,TAO Jun-yong,ZHANG Chun-hua.Reliability enhancement testing and accelerated life testing:an introductory review[J].Journal of National Unversity of Defense Technology,2002,24(4):28-32.

[5]IEC 62504：General lighting-Light emitting diode(LED) products and related equipment-Terms and definitions (Draft)[S]．國際電工委員會標準草案：2012.

[6]趙阿玲,賀衛利,陳建新.大功率白光 LED加速壽命試驗研究 [J].鄭州輕工業學院學報:自然科學版,2010,25(1): 65-68. ZHAO A-ling,HE Wei-li,CHEN Jian-xin.Experimental aging of high-power white LED[J].Journal of Zhengzhou Unversity of Light Industry:Natural Science,2010,25(1):65-68.

A method of the life quickly evaluate for LED products based on temperature accelerated

WEI Jiao，ZHANG Wei-ting
（Xianyang Vocational&Technical College,Xianyang 712000,China）

The method of the life quickly evaluate is presented for the LED lighting products based on three levels of temperature stress as the acceleration life test for the test sample,as a luminous flux attenuation detecting failure criterion,and based on the test data,with the Weibull distribution to describe the life of the product distribution,products life of the extrapolated normal stress is presented using the least squares method and the Arrhenius model test data for statistical analysis.

LED；life；accelerated testing；flux

TN0

A

1674－6236（2015）07-0058-03

2014-07-19 稿件編號：201407155

咸陽職業技術學院基金項目（2013KYA05）

魏 嬌(1987—)，女，陜西咸陽人，碩士，助教。研究方向：光電子技術。