沈明炎 / 福建省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

LED光源具有節(jié)能環(huán)保、光色純正、安全、高可靠性和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被普遍應(yīng)用于當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，正在取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈成為發(fā)光源。在此背景下，研究LED光源的壽命評(píng)估方法，對(duì)提高光源的可靠性具有重要意義。隨著 LED光源技術(shù)的提升及新材料研發(fā)的進(jìn)步，LED 發(fā)光效率得到大幅提高，成本降低，性能提升。在研發(fā)生產(chǎn)過程中，需要評(píng)估光源壽命和可靠性等指標(biāo)，保證LED光源質(zhì)量水平[1]。通常，用光源壽命試驗(yàn)對(duì)LED光源的壽命和可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，如何提高壽命試驗(yàn)的科學(xué)性、結(jié)果的準(zhǔn)確性，如何有效地評(píng)估 LED 光源的可靠性，是提升LED光源類產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵問題。

1 特性與原理

LED光源是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光光源，具有一定的生存期。理論上，此種光源的壽命很長(zhǎng)，可達(dá)1.0×105h以上。LED光源具備時(shí)效性，即效能與時(shí)間成反比，光通量隨運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸衰減，并且LED結(jié)溫越高，衰減越快[2]。

LED光源壽命試驗(yàn)，即LED光源在規(guī)定的工作及環(huán)境條件下進(jìn)行連續(xù)工作的耐久性試驗(yàn)。由于LED光源的壽命較長(zhǎng)，若仍在常規(guī)的額定電流下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，時(shí)間長(zhǎng)，難以對(duì)產(chǎn)品的壽命和可靠性做出客觀的評(píng)價(jià)[3]。為縮短試驗(yàn)周期，提高試驗(yàn)的可操作性和科學(xué)性，通過加載高于LED 光源使用條件的環(huán)境應(yīng)力進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，通常用溫度插值的方法，通過監(jiān)測(cè)光源的光通量水平來評(píng)估光源壽命。

2 雙應(yīng)力交叉加速壽命試驗(yàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

LED光源加速壽命試驗(yàn)是通過增大環(huán)境應(yīng)力來快速放大光源的設(shè)計(jì)缺陷，加快光源衰減速度，使其快速失效，可在光源達(dá)到真實(shí)壽命前通過試驗(yàn)評(píng)估得到壽命詳細(xì)數(shù)據(jù)，極大地縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高研究與測(cè)試效率。溫度、電流、濕度、沙塵、鹽霧、光照、振動(dòng)等因素都可用作LED光源加速壽命試驗(yàn)的環(huán)境應(yīng)力。LED光源在自然應(yīng)用環(huán)境下受到各種環(huán)境應(yīng)力的共同作用，但是，由于LED 光源的光電原理，溫度應(yīng)力和電應(yīng)力則為始終存在的共性應(yīng)力，應(yīng)力影響相互耦合、相互作用。目前，溫度應(yīng)力和電應(yīng)力是 LED 加速壽命試驗(yàn)中最常被加載的環(huán)境應(yīng)力。相比較單一應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，組合應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)具有更好的效果[4-6]。不同組合應(yīng)力作用下光通量維持率隨時(shí)間變化的狀態(tài)曲線如圖1所示。

圖1 不同組合應(yīng)力作用下光通量維持率隨時(shí)間變化的狀態(tài)

根據(jù)LED光源的特性和壽命試驗(yàn)的原理設(shè)計(jì)了溫度應(yīng)力和電應(yīng)力雙應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并依?jù)測(cè)量數(shù)據(jù)得到各應(yīng)力水平下的分布參數(shù)。再使用加速壽命模型推導(dǎo)出正常應(yīng)力水平下的參數(shù)值，最終獲得光源壽命估計(jì)值，并進(jìn)行可靠性評(píng)估。試驗(yàn)流程包括應(yīng)力確定、模式選定、模型建立、系統(tǒng)架設(shè)與加速試驗(yàn)、參數(shù)測(cè)量與分布計(jì)算、壽命評(píng)估和可靠性分析等步驟，流程如圖2所示。

圖2 LED光源的加速壽命試驗(yàn)流程

2.2 應(yīng)力確定

選擇合適的試驗(yàn)組合應(yīng)力和應(yīng)力水平，是進(jìn)一步減少加速時(shí)間的有效手段，可采用短周期溫度和電流雙應(yīng)力交叉步進(jìn)試驗(yàn)來確定。預(yù)設(shè)一組試驗(yàn)組合應(yīng)力，短時(shí)間內(nèi)交替且逐級(jí)施加兩種應(yīng)力，觀察光通量維持率變化情況，利用積分球?qū)馔亢蜕葏?shù)進(jìn)行測(cè)量，并記錄LED芯片光輸出衰減情況，試驗(yàn)結(jié)果可反映試驗(yàn)組合應(yīng)力和應(yīng)力水平，從而選取合適的組合應(yīng)力來進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。

2.3 模式選定

加速壽命試驗(yàn)可根據(jù)加載應(yīng)力方式的不同，分為恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)、階梯應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)三種模式。1）恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)需要將一定數(shù)量的樣品分成相應(yīng)組數(shù)，各組設(shè)置不同的加速應(yīng)力水平，每一組試驗(yàn)過程中保持加速應(yīng)力恒定，在定時(shí)截尾情形下對(duì)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)需要的試驗(yàn)樣本數(shù)量較多，成本較高，但是，可以同時(shí)獲得較為完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用最廣泛。2）階梯應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)可分為階梯上升應(yīng)力試驗(yàn)和階梯下降應(yīng)力試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)施加的應(yīng)力水平逐漸升高和逐漸降低。階梯應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)所需樣本數(shù)量較少，試驗(yàn)時(shí)間短。但是，由于試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)不完整，需要通過數(shù)據(jù)折算來計(jì)算累積試驗(yàn)時(shí)間，在可靠性分析方面的準(zhǔn)確性相對(duì)不足。3）序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)是通過連續(xù)快速變化的應(yīng)力施加方式完成的，試驗(yàn)周期最短，效率最高。但是，因其對(duì)加速裝置的要求較高，成本昂貴，并且數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，在實(shí)際操作中較少使用。根據(jù)光源類型和試驗(yàn)條件選擇合適的模式進(jìn)行試驗(yàn)，為取得較完整的數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)選擇恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

2.4 模型建立

LED光源輸出服從光通量指數(shù)衰減模型，壽命特征隨著溫度的上升而呈指數(shù)函數(shù)規(guī)律下降[7]。在單一應(yīng)力加速模型中，通常應(yīng)用阿倫紐斯模型表述光源的壽命特征與溫度之間的關(guān)系，如式（1）所示；LED光源的壽命特征與電應(yīng)力的關(guān)系可以由逆冪律模型表述為式（2）；在溫度應(yīng)力和電應(yīng)力共同作用下進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)時(shí)，結(jié)合阿倫紐斯模型與逆冪律模型，LED光源的壽命特征滿足艾林模型，可表述為式（3）。

式中：τ—— 壽命特征；

kb—— 玻爾茲曼常數(shù)（8.617 1×10-5e V/℃）；

A—— 常數(shù)；

Eα—— 激活能；

T—— 結(jié)溫；

I—— 加速電流；

n—— 與 LED光源的結(jié)構(gòu)材料等有關(guān)的常數(shù)

其中A、Eα、n為模型參數(shù)，與產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)、特性和試驗(yàn)方法有關(guān)，可以通過試驗(yàn)中各應(yīng)力水平下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得。

2.5 系統(tǒng)架設(shè)

試驗(yàn)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一個(gè)由高低溫試驗(yàn)箱和程控穩(wěn)壓電源組成的加速試驗(yàn)系統(tǒng)，用于提供應(yīng)力；另一個(gè)由積分球、光譜儀、數(shù)字多用表和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的光電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。選取同種型號(hào)和批次的同類LED光源作為樣品，設(shè)計(jì)多組溫度應(yīng)力和電應(yīng)力的組合形式，根據(jù)各組合設(shè)置試驗(yàn)時(shí)間，分多組進(jìn)行交叉階梯試驗(yàn)。試驗(yàn)樣品經(jīng)過加速試驗(yàn)且恢復(fù)常溫后，在額定條件下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)測(cè)量。試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 加速試驗(yàn)系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)

2.6 參數(shù)測(cè)量與分步計(jì)算

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)，需獲得結(jié)溫、加速壽命和激活能3個(gè)參數(shù)值（其中，結(jié)溫測(cè)量和光通量測(cè)量是參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)），方可計(jì)算出LED光源在正常環(huán)境溫度下的平均壽命。

2.6.1 結(jié)溫測(cè)量

測(cè)量結(jié)溫的方法有多種，但由于直接測(cè)量結(jié)溫時(shí)所用的熱阻受溫度影響較大，實(shí)際狀態(tài)較為復(fù)雜，通常不采用直接測(cè)量的方法。目前，被普遍認(rèn)可的間接測(cè)量方法為正向電壓測(cè)量法，其原理為在恒流狀態(tài)下測(cè)量LED光源兩端結(jié)電壓，由于結(jié)電壓與結(jié)溫呈線性關(guān)系，因此，可利用數(shù)字多用表測(cè)量各溫度狀態(tài)下的結(jié)電壓，從而計(jì)算得到結(jié)溫。

2.6.2 光通量測(cè)量

運(yùn)用積分球和光譜儀組成的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)光通量進(jìn)行測(cè)量，對(duì)各應(yīng)力水平下的光通量衰減進(jìn)行歸一化處理，按e指數(shù)衰減進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，運(yùn)用威布爾分布處理光通量衰減速率，估算衰減速率與結(jié)溫的關(guān)系。

2.7 壽命評(píng)估與可靠性分析

根據(jù)結(jié)溫計(jì)算得到激活能，再由光通量衰減模型推算出不同結(jié)溫下的工作壽命之比，進(jìn)而計(jì)算出加速壽命。將測(cè)量、計(jì)算得到的參數(shù)代入試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，推算出不同溫度?yīng)力和電應(yīng)力組合條件下的加速壽命值，以及正常工作條件下的工作壽命，并對(duì)照驗(yàn)證，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析與評(píng)估。

3 結(jié)語

介紹了LED光源雙應(yīng)力交叉加速壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)方法與流程。根據(jù)光源特性和試驗(yàn)原理，選取合適的組合應(yīng)力進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，分析了試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，并建立試?yàn)?zāi)Ｐ?，架設(shè)加速壽命試驗(yàn)系統(tǒng)并重點(diǎn)闡述結(jié)溫和光通量的測(cè)量方法，以此進(jìn)行加速壽命和激活能的計(jì)算，再結(jié)合試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行壽命評(píng)估與可靠性分析。本方法在一定程度上提高了試驗(yàn)效率，縮短了試驗(yàn)時(shí)間，在LED光源壽命評(píng)估與可靠性分析工作中更具操作性和科學(xué)性。