LED光源双应力交叉加速寿命试验

沈明炎 / 福建省计量科学研究院

0 引言

LED光源具有节能环保、光色纯正、安全、高可靠性和寿命长等优点，被普遍应用于当今社会的各个领域，正在取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯成为发光源。在此背景下，研究LED光源的寿命评估方法，对提高光源的可靠性具有重要意义。随着 LED光源技术的提升及新材料研发的进步，LED 发光效率得到大幅提高，成本降低，性能提升。在研发生产过程中，需要评估光源寿命和可靠性等指标，保证LED光源质量水平[1]。通常，用光源寿命试验对LED光源的寿命和可靠性进行评价。因此，如何提高寿命试验的科学性、结果的准确性，如何有效地评估 LED 光源的可靠性，是提升LED光源类产品质量的关键问题。

1 特性与原理

LED光源是一种半导体固体发光光源，具有一定的生存期。理论上，此种光源的寿命很长，可达1.0×105h以上。LED光源具备时效性，即效能与时间成反比，光通量随运行时间的增加而逐渐衰减，并且LED结温越高，衰减越快[2]。

LED光源寿命试验，即LED光源在规定的工作及环境条件下进行连续工作的耐久性试验。由于LED光源的寿命较长，若仍在常规的额定电流下进行寿命试验，时间长，难以对产品的寿命和可靠性做出客观的评价[3]。为缩短试验周期，提高试验的可操作性和科学性，通过加载高于LED 光源使用条件的环境应力进行加速寿命试验，通常用温度插值的方法，通过监测光源的光通量水平来评估光源寿命。

2 双应力交叉加速寿命试验

2.1 总体设计

LED光源加速寿命试验是通过增大环境应力来快速放大光源的设计缺陷，加快光源衰减速度，使其快速失效，可在光源达到真实寿命前通过试验评估得到寿命详细数据，极大地缩短试验时间，提高研究与测试效率。温度、电流、湿度、沙尘、盐雾、光照、振动等因素都可用作LED光源加速寿命试验的环境应力。LED光源在自然应用环境下受到各种环境应力的共同作用，但是，由于LED 光源的光电原理，温度应力和电应力则为始终存在的共性应力，应力影响相互耦合、相互作用。目前，温度应力和电应力是 LED 加速寿命试验中最常被加载的环境应力。相比较单一应力加速寿命试验，组合应力加速寿命试验具有更好的效果[4-6]。不同组合应力作用下光通量维持率随时间变化的状态曲线如图1所示。

图1 不同组合应力作用下光通量维持率随时间变化的状态

根据LED光源的特性和寿命试验的原理设计了温度应力和电应力双应力加速寿命试验，建立试验模型，并依据测量数据得到各应力水平下的分布参数。再使用加速寿命模型推导出正常应力水平下的参数值，最终获得光源寿命估计值，并进行可靠性评估。试验流程包括应力确定、模式选定、模型建立、系统架设与加速试验、参数测量与分布计算、寿命评估和可靠性分析等步骤，流程如图2所示。

图2 LED光源的加速寿命试验流程

2.2 应力确定

选择合适的试验组合应力和应力水平，是进一步减少加速时间的有效手段，可采用短周期温度和电流双应力交叉步进试验来确定。预设一组试验组合应力，短时间内交替且逐级施加两种应力，观察光通量维持率变化情况，利用积分球对光通量和色度参数进行测量，并记录LED芯片光输出衰减情况，试验结果可反映试验组合应力和应力水平，从而选取合适的组合应力来进行加速寿命试验。

2.3 模式选定

加速寿命试验可根据加载应力方式的不同，分为恒定应力加速寿命试验、阶梯应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验三种模式。1）恒定应力加速寿命试验需要将一定数量的样品分成相应组数，各组设置不同的加速应力水平，每一组试验过程中保持加速应力恒定，在定时截尾情形下对试验得到的数据进行统计分析。恒定应力加速寿命试验需要的试验样本数量较多，成本较高，但是，可以同时获得较为完整的试验数据，应用最广泛。2）阶梯应力加速寿命试验可分为阶梯上升应力试验和阶梯下降应力试验，对应施加的应力水平逐渐升高和逐渐降低。阶梯应力加速寿命试验所需样本数量较少，试验时间短。但是，由于试验得到的数据不完整，需要通过数据折算来计算累积试验时间，在可靠性分析方面的准确性相对不足。3）序进应力加速寿命试验是通过连续快速变化的应力施加方式完成的，试验周期最短，效率最高。但是，因其对加速装置的要求较高，成本昂贵，并且数据处理复杂，在实际操作中较少使用。根据光源类型和试验条件选择合适的模式进行试验，为取得较完整的数据，本试验选择恒定应力加速寿命试验模式。

2.4 模型建立

LED光源输出服从光通量指数衰减模型，寿命特征随着温度的上升而呈指数函数规律下降[7]。在单一应力加速模型中，通常应用阿伦纽斯模型表述光源的寿命特征与温度之间的关系，如式（1）所示；LED光源的寿命特征与电应力的关系可以由逆幂律模型表述为式（2）；在温度应力和电应力共同作用下进行加速寿命试验时，结合阿伦纽斯模型与逆幂律模型，LED光源的寿命特征满足艾林模型，可表述为式（3）。

式中：τ—— 寿命特征；

kb—— 玻尔兹曼常数（8.617 1×10-5e V/℃）；

A—— 常数；

Eα—— 激活能；

T—— 结温；

I—— 加速电流；

n—— 与 LED光源的结构材料等有关的常数

其中A、Eα、n为模型参数，与产品本身结构、特性和试验方法有关，可以通过试验中各应力水平下的试验数据求得。

2.5 系统架设

试验系统分为两个部分，一个由高低温试验箱和程控稳压电源组成的加速试验系统，用于提供应力；另一个由积分球、光谱仪、数字多用表和计算机构成的光电参数测量系统。选取同种型号和批次的同类LED光源作为样品，设计多组温度应力和电应力的组合形式，根据各组合设置试验时间，分多组进行交叉阶梯试验。试验样品经过加速试验且恢复常温后，在额定条件下达到稳定状态时进行相应的参数测量。试验系统构成如图3所示。

图3 加速试验系统与测量系统

2.6 参数测量与分步计算

根据试验模型参数，需获得结温、加速寿命和激活能3个参数值（其中，结温测量和光通量测量是参数计算的基础），方可计算出LED光源在正常环境温度下的平均寿命。

2.6.1 结温测量

测量结温的方法有多种，但由于直接测量结温时所用的热阻受温度影响较大，实际状态较为复杂，通常不采用直接测量的方法。目前，被普遍认可的间接测量方法为正向电压测量法，其原理为在恒流状态下测量LED光源两端结电压，由于结电压与结温呈线性关系，因此，可利用数字多用表测量各温度状态下的结电压，从而计算得到结温。

2.6.2 光通量测量

运用积分球和光谱仪组成的测试系统对光通量进行测量，对各应力水平下的光通量衰减进行归一化处理，按e指数衰减进行数据拟合，运用威布尔分布处理光通量衰减速率，估算衰减速率与结温的关系。

2.7 寿命评估与可靠性分析

根据结温计算得到激活能，再由光通量衰减模型推算出不同结温下的工作寿命之比，进而计算出加速寿命。将测量、计算得到的参数代入试验模型，推算出不同温度应力和电应力组合条件下的加速寿命值，以及正常工作条件下的工作寿命，并对照验证，根据试验数据进行可靠性分析与评估。

3 结语

介绍了LED光源双应力交叉加速寿命试验的试验方法与流程。根据光源特性和试验原理，选取合适的组合应力进行加速寿命试验，分析了试验模式，并建立试验模型，架设加速寿命试验系统并重点阐述结温和光通量的测量方法，以此进行加速寿命和激活能的计算，再结合试验模型与试验参数进行寿命评估与可靠性分析。本方法在一定程度上提高了试验效率，缩短了试验时间，在LED光源寿命评估与可靠性分析工作中更具操作性和科学性。