一种基于温度加速的LED产品寿命快速评价方法

魏娇，张卫婷

（咸阳职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

一种基于温度加速的LED产品寿命快速评价方法

魏娇，张卫婷

（咸阳职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

针对LED照明产品，提出一种寿命快速评价的方法。通过对样品在3种温度应力水平下进行加速寿命实验，以光通量的衰减作为失效判据，并对实验结果进行了分析，以威布尔分布来描述产品的寿命分布，利用最小二乘法和阿伦尼斯模型对试验数据进行统计分析，最终外推得出正常应力水平下产品的寿命。

LED；寿命；加速试验；光通量

随着半导体发光二极管（LED）技术的迅速发展，LED照明光源的光效在不断提高，成本不断下降，与普通的白炽灯、荧光灯等相比，其发光效率高，节能性好，寿命长，已经被大家广泛认可，并称为第四代照明光源，市场潜力巨大，正处于快速发展的阶段。目前LED的生产标准和检测体系还不太完善，特别是其寿命的检测方法，目前还没有统一的标准，导致各个企业形成自己的可靠性试验规范，也使得市场上的LED产品质量参差不齐[1]。本文通过对LED照明产品进行温度加速寿命实验，结合相关理论，得出一种LED照明产品寿命快速评价的方法，对有效缩短LED照明产品寿命检测时间有很大的意义。

1 产品可靠性原理

产品的可靠性研究对提高产品的性能，改善产品的质量，促进产品的发展具有重要的意义，产品的可靠性是指在一定的工作时间和工作环境下，产品完成规定功能的能力。对产品的可靠性研究主要通过可靠性试验来进行，寿命试验是可靠性试验中非常重要的一个试验，有加速寿命试验，老化试验等。随着高可靠性产品越来越多，加速寿命试验被大家广泛使用[2]。

从上世纪五十年代，为了对产品的可靠性进行评价和分析，研究人员通过对各种统计模型进行深入研究，建立起了很多种相关的可靠性模型。可靠性模型，是对系统(或元件)失效特征的数学描述。寿命分布模型是可靠性模型中一个主要的模型，所谓寿命分布模型是指一个寿命分布函数，通过用概率语言来描述系统输出量的一个数学表达式。常见的有以下3种[3]。

指数分布模型，表达式为：

威布尔分布模型，表达式为：

对数正态分布模型，表达式为：

在科学技术飞速发展的今天，产品的可靠性在不断的提高，寿命不断的延长，常规的寿命试验往往需要很长的时间，而且很难对产品的可靠性指标做出及时准确的评价，所以加速寿命试验就显得特别重要。加速寿命试验根据所施加应力水平的不同，可分为恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验、序进应力加速寿命试验。其中，恒定应力加速寿命试验是最常用、最成熟的一种试验方法，并且被IEC标准所采用，其试验因素比较单一，数据处理相对简单，试验结果准确性较高[4-5]。

在加速寿命试验中，很重要的一步就是要得到产品的特征寿命和加速应力水平之间的函数关系，也就是建立一种加速模型，利用加速模型，就可以对产品正常应力水平下的寿命特征进行外推，从而达到加速寿命试验的目的。目前比较常见的有阿伦尼斯模型、逆幂律模型和艾林模型。

阿伦尼斯模型主要用来表示温度应力与产品寿命之间的函数关系，其表达式为：

逆幂率模型主要用来表示电流、电压、功率等电应力与产品寿命之间的函数关系，其表达式为：

艾林模型主要用来表示复合应力（如电应力和温度应力同时作用）与产品之间的函数关系，表达式为：

2 实验方法

2.1 实验参数确定

通过分析，实验各项参数确定如下[6]：

1)选择恒定温度应力加速寿命实验，其应力水平分别为60℃(333.15 K)、80℃(353.15 K)、100℃(373.15 K)；

2)加速寿命实验的失效判据：光通量衰减为初始光通量的70%；

3)寿命分布模型选用威布尔分布模型；4)加速模型选用阿伦尼斯模型；

2.2 实验样品

以3W大功率LED球泡灯为样品，在对一种LED照明产品的寿命检测过程中，至少需要选择30个样品，每个应力水平下10个样品。为保证每个样品质量合格，实验前应先进行至少24小时的老化实验，剔除不合格样品以及非正常失效样品。

2.3 实验过程

1)样品编号

为了方便实验以及数据记录，对选好的样品要进行编号处理，编号为：60-X、80-X、100-X（X=1、2、3…10）。

2)初始光通量测量

用积分球配合光谱测试仪对每个实验样品的初始光通量进行测量，并按编号记录好数据。

3)温度应力加速实验

分别在恒定温度60℃，80℃、100℃，对样品进行加速老化。0～200小时，每隔100小时测量一次样品的光通量；200～500小时，每隔50小时测量一次样品的光通量；直至总计500小时止，每次测试均要准确记录测试数据。实验前必须要检查外部电路接线正确，并做好相应的防护措施，避免短路。

3 数据处理过程

本文中主要以60℃温度应力下所得的数据为例来进行说明，80℃、100℃温度应力下数据处理过程是相同的。

3.1 数据基本分析

运用“光功率衰减模型”对实验数据进行基本分析，根据初始光通量与t小时后的光通量，计算出实验样品光通量的衰减系数以及在不同应力水平下样品的加速寿命。

光功率衰减模型表示为：

式中：P0为初始光功率；

Pt为工作t小时后的光功率；

β为光衰减系数（退化系数）。

表1 60℃实验数据以及分析结果Tab.1 The test data and analysis results in 60℃

3.2 数据处理

1)数据排序

分别对3个应力水平下所计算出的样品加速寿命进行从小到大排序。

2)计算相关参数

F(t)可用下面的中位秩公式进行计算：

式中：n表示实验样品总数；

j表示对应t时间的累计失效样品数。

表2 60℃数据处理结果Tab.2 The data processing results in 60℃

3.3 数据拟合

最小二乘法的表达式为：

图1 60℃数据拟合的直线Fig.1 Data fitting a straight line in 60℃

表3 3种温度应力下拟合直线数据Tab.3 The fitting line data in three levels

3.4 寿命评估

1)各应力水平下的寿命评估

根据拟合的直线参数，计算出实验样品在各个温度应力水平下的特征寿命。

计算公式为：

其中：a和b分别是各个温度应力下拟合直线的斜率和截距。

2)正常应力水平下的寿命评估

根据阿伦尼斯加速模型，由每个应力水平下实验样品的特征寿命外推得出正常应力水平下产品的特征寿命。

外推公式为：

式（11）是根据阿伦尼斯模型变换所得。

4 结论

本文通过对样品在3种应力水平下进行加速寿命实验，再通过相关理论对数据结果进行了处理，最终由3种应力水平外推得出正常温度下产品的特征寿命，分别是：43 441.48小时，44 897.24小时，41 964.37小时，结果比较接近，验证结果的有效性。

文中提出的方法有效的缩短了加速寿命实验的时间，具有一定的可行性，但也存在很多缺点和不足。一是只以LED照明产品的光通量衰减情况作为失效依据具有一定的片面性，对LED照明产品来说，他的寿命可能主要是由产品非正常失效所引起的，比如灯的寿命受驱动电源的影响很大，而本文对产品的驱动电源失效情况没有考虑。二是在实验过程中存在不确定性，寿命试验是对于时间参数的测量，对于加速寿命试验而言，非常小的输入误差就很可能导致输出结果比较大的偏差，包括测量仪器、测量人员、测量环境、测量方法等，都会对测量结果造成不同程度的误差。由于目前行业内还没有形成比较统一的试验规范，本方法对后续LED照明产品寿命的研究方面具有一定的参考意义。

表4 3种温度应力下的寿命特征以及正常温度下寿命特征Tab.4 The life of three levels and norm ally

[1]张伟，华树明，巩马理,等.LED照明产品寿命测试评价方法研究现状[J].照明工程学报，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,康锐,等.可靠性工程基础 [M].北京：电子工业出版社，2011.

[3]杨辉．LED可靠性试验与寿命分析模型研究[D]．杭州：杭州电子科技大学，2012.

[4]陈循,陶俊勇,张春华.可靠性强化试验与加速寿命试验综述[J].国防科技大学学报,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]．国际电工委员会标准草案：2012.

[6]赵阿玲,贺卫利,陈建新.大功率白光 LED加速寿命试验研究 [J].郑州轻工业学院学报:自然科学版,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 稿件编号：201407155

咸阳职业技术学院基金项目（2013KYA05）

魏 娇(1987—)，女，陕西咸阳人，硕士，助教。研究方向：光电子技术。