LED控制装置可靠性的温度影响因子研究

王　深，贺致远，徐华伟，刘群兴，赵浩之

(工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州　510610)



LED控制装置可靠性的温度影响因子研究

王深，贺致远，徐华伟，刘群兴，赵浩之

(工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州510610)

本文介绍了LED控制装置的元器件类型和失效率预计模型，根据LED控制装置在实际应用中的故障模式和关键元器件，结合可靠性试验和失效率预计思路，研究温度因子对元器件失效率的影响。

LED控制装置；可靠性模型；故障模式；可靠性预计；温度因子；潜在缺陷

引言

根据LED照明产品的应用调研，其故障或失效的统计基本上遵循帕累托定律，即80%的失效集中在20%的故障模式。而这关键的少数，则是照明产品中的LED控制装置。

LED光源芯片技术相比于半导体照明发展早期有了十分明显的进步，芯片载流子密度和高结温特性有了很大的提高，光源的光衰难题已经得到了明显的改善，甚至在连续工作20 000 h的光通维持率也不低于于90%。因此灯或灯具的“系统”寿命长短则主要取决于“木桶短板”LED控制装置。

对于LED控制装置而言，其电路板线路也是由若干类型电子元器件组成，包括集成电路芯片、MOS管、晶闸管、电解电容、电阻、电感等。不同类型元器件，其基本失效率也存在较大的差异。而多数LED控制装置的失效，也主要集中在关键的少数几类电子器件，如IC、MOS管、电解电容等。

因此，解决关键的少数几类电子器件的可靠性问题，将对LED控制装置的质量可靠性，具有非常重要的意义，也是十分行之有效的方法。

1　LED控制装置的组成元器件

LED控制装置的关键元器件主要包括：

1)电容类器件，包括电解电容，瓷介电容，碳膜电容等；

2)半导体分立器件，包括二极管，三极管，晶体管，场效应管等；

3)集成电路，如电源IC，调光IC；

4)贴片元件，如贴片电阻，贴片电容等；

5)其他元器件，如电感，变压器，保险丝，防雷器件等。

每类元器件的工作失效率取决于其基本失效率，以及生产质量特性和应用条件。器件类型不同，基本失效率会有很大的差异，甚至高达几个数量级。在电路板设计和制造时，对基本失效率较高的元器件类型，应有根据应用条件进行针对性的设计，以尽可能降低其工作失效率，例如针对性的散热设计，电应力冗余。

温度应力和电应力是导致LED控制装置较早出现失效的主要因素。

当电路设计、选购的元器件类型和制造商等确定时，特定产品的电应力系数基本上明确，不会随着使用环境、电气配件的变化而波动。而温度却不同，使用的散热结构、导热材料、应用环境的变化都可能造成元器件的壳温不同，进而影响器件的工作失效率。不同元器件类型对温度的敏感性也有差异，有些元器件的失效率受温度影响较小，如碳膜电阻；而有些元器件受温度影响则十分明显，如电解电容。

2　可靠性预计模型

不同类型元器件的产品特性就决定了其基本失效率，而实际的工作失效率则与具体器件的参数和应用环境有关。以元器件的工作失效率为基础，结合拓扑结构，对系统的失效率进行预计。系统的可靠性预计模型一般包括串联模型和并联模型，但无论使用哪个预计模型，其都与元器件的失效率呈正相关性。

不同方法体系对失效率预计的描述或系数数据可能会存在差异，但失效率预计模型都大同小异。例如，在GJB 299C—2006《电子设备可靠性预计手册》中，光电子器件的工作失效率预计模型见式(1)：

λP=λbπEπQπTπC

(1)

其中，λP为工作失效率，10-6/h；λb为基本失效率，10-6/h，λb取值为0.0104；πE为环境系数，见表1；πQ为质量系数，根据不同质量水平认证等级；πT为温度系数，见表3；πC为种类系数，见表4。

表1　环境系数

表2　质量等级和质量系数πQ

表3　温度应力系数πT

*T为工作环境温度。

表4　种类系数πC

注：数码管应按内含芯片数计算其失效率，表内系指单个芯片的数据。

其余关键元器件的失效率预计模型如表5所示。

表5　关键元器件工作失效率预计模型

3　温度因子对LED控制装置关键元器件失效率的影响

3.1元器件失效率的对比

大多数元器件工作失效率模型和基本失效率，温度都是较为重要的影响因子。而不同类型的元器件，在环境温度变化时，失效率的变化曲线也存在较大的差异。例如碳膜电阻在温度升高时，基本失效率的变化并不明显；而对电解电容，温度上升10 ℃，元器件的失效率则可能升高2倍。

对于同样的LED控制装置，随着其应用环境和工作条件的不同，电路板上的元器件工作环境温度，即LED控制装置腔体内的空间温度也会有较大的差异，此时LED控制装置上的某类元器件的失效率会出现陡增的趋势，这部分元器件很大概率上会成为该电路板的第一失效点。

常见元器件及基本失效率(数量级为约值)统计如表6所示。

对表6中的元器件基本失效率数量级作对比图，如图1所示。

由以上数据可以看出，基本失效率较高的元器件主要在以下几类：①晶闸管；②整流管；③肖特基二极管；④场效应管；⑤IC；⑥铝电解电容等。

上述这几类高失效率元器件基本上与外场故障样品和可靠性强化应力试验中失效样品的故障元器件类型吻合。但需要注意的是，并非基本失效率高的元器件一定先出现失效，可以通过加强制造工艺水平以及冗余、散热等设计，降低工作失效率，提供元器件的可靠性。LED控制装置可靠性的影响因子有多种，如电应力、开关通断应力、湿度、温度、振动等，但影响最大的是温度。

表6　50 ℃时的元器件基本失效率量级

注：表6数据选取电应力为0.5，环境温度为50 ℃的失效率量级。

图1　元器件基本失效率对比图Fig.1　Collation map of basic failure rate

图2　元器件基本失效率对比图(除整流管和闸流管外)Fig.2　Collation map of basic failure rate(except for rectifier and thyristor)

3.2温度对LED控制装置关键元器件失效率的影响试验

为了研究温度对关键元器件失效率的影响，项目组进行一组试验，试验条件如下：

将筒灯LED控制装置1款，带额定负载在环境试验箱内工作。试验箱温度：25 ℃，35 ℃，45 ℃，55 ℃，65 ℃，75 ℃，85 ℃；同时监测电源腔温度以及关键元器件的壳体温度，并转化为失效率相关的关键参数，如温度系数或基本失效率。

图3　试验样品和试验过程示意图Fig.3　Test sample and testing procedure diagram

将表7中关键元器件失效率随温度变化的趋势作图，如图4～图7所示。

图4　IC的温度系数随环境温度变化趋势Fig.4　Temperature factor trend of IC with Ta change

图5　铝电解电容的失效率随环境温度变化趋势Fig.5　Failure rate trend of Aluminum electrolytic capacitor with Ta change

试验箱温度25℃35℃45℃55℃65℃75℃85℃电源腔温度/℃394429508610697772853IC壳温/℃502530600700788855926温度系数πT048053078130197260371铝电解电容壳温/℃467485558662749812887基本失效率(10-6/h)01818020100265204344068441037517051MOS管壳温/℃422464541640725798873基本失效率(10-6/h)0055005900710093012501640217晶闸管壳温/℃5786116877888799501025温度系数πT080088114415562028246306

图6　MOS管的失效率随环境温度变化趋势Fig.6　Failure rate trend of MOS components with Ta change

图7　晶闸管的温度系数随环境温度变化趋势Fig.7　Temperature factor trend of thyristor with Ta change

从图4～图7可见，相比于其他类型元器件，铝电解电容的失效率对温度更加敏感，随着温度的升高，其失效率会出现陡增的趋势。对于铝电解电容和此类温度敏感器件，则需要在可靠性设计时，充分模拟各类可靠性应力条件下器件表面可能出现的极限温度，识别高故障率点并进行针对性的散热设计改进。

4　结束语

在电子产品全寿命周期内，温度是影响产品可靠性和寿命的重要因子。在产品电路设计或热设计时，往往只考虑额定应用条件，从而不能在早期识别可能存在高失效率风险点。LED控制装置的应用条件根据实际需求，环境温度、负载条件等会存在较大的差异，这些差异会进一步反馈于电路板上元器件的电应力和温度，因此初始设计时较为均匀的热分布可能会逐步转变为存在局部较高温度，使该局部位置的元器件工作失效率迅速提高而失效。

基本失效率参数是器件的特有属性，无法通过后期产品设计改变其特征值，但可以通过电路设计、热设计使器件具备足够冗余，达到尽可能降低器件工作失效率的目的。而分析LED控制装置电路板上元器件的失效率随温度的变化趋势，可以是识别产品潜在风险点以及指导设计改进的有效手段。

[1] 张增照. 电子产品可靠性预计[M]. 北京：科学出版社，2007.

[2] PATRICK D.T.O’Connor. 实用可靠性工程(第四版)[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3] 电子设备可靠性预计手册：GJB 299C—2006.

Temperature Factor Research for LED Controlgear Reliability

WANG Shen, HE Zhiyuan，XU Huawei，LIU Qunxing，ZHAO Haozhi

(The Fifth Research Institute of MIIT, P. R. China, Guangzhou510610, China)

This article introduces the component types and failure prediction modes of LED controlgear, and analysis the thermal effect of critical components failure rate, through reliability test and failure prediction method.

LED controlgear; reliability model; failure model; reliability prediction; temperature factor; potential defect

徐华伟，E-mail:xhw@ceprei.biz

国家高技术研究发展计划(863计划)：2015AA03A101，国家自然科学基金：U1201254，广东省重大科技专项：2014B010122005，2014B010122001，2015B010114002，2015B010133001,2016B010113004

TM923

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.024