CN102661848A - 智能电表液晶器件可靠性关键故障特征的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电表液晶器件的测试方法，属于智能电表技术，该方法包括：对智能电表样品进行随机抽样，确定智能电表液晶器件可靠性的测试项目，确定测试剖面以及失效判据，并确定测试参数及测试方法后对所述智能电表液晶器件进行测试，对测试结果进行处理，记录液晶器件的故障模式频数比，进行可靠性试验，确定故障特征量。该方法作为一种新型的测试技术，效率高、成本低、可以从根本上提高产品固有可靠性，快速获得产品早期高可靠性，从而大大缩短产品研制时间，加快新产品投放市场，提高市场占有率。

Description

智能电表液晶器件可靠性关键故障特征的测定方法

技术领域

本发明涉及智能电表技术，特别是一种智能电表液晶器件的关键故障特征的测定方法。

背景技术

常规意义的产品可靠性强化测试采用强化环境应力，快速激发产品潜在缺陷使其以故障形式表现出来，通过故障原因分析、失效模式分析和改进措施来消除缺陷，提高产品可靠性，并大幅度地提高试验效果。其主要应用于产品设计阶段，快速暴露装备设计缺陷以便及时实施改进，使产品可靠性得到提高、降低成本。

根据实际工程经验，液晶是智能电表的可靠性薄弱环节，是智能电表中最容易发生故障的环节；因此，对液晶器件可靠性的深入了解对于提高智能电表整体的可靠性具有重要意义。本专利以液晶器件为研究对象，首先随机抽样液晶器件样本，通过对液晶器件进行强化试验，确定液晶器件的主要故障模式和可靠性试验监测信号，通过主元素分析法获得液晶器件可靠性关键故障特征。

智能电表液晶器件的可靠性强化测试技术把故障或失效当作研究的主要对象，通过系统地施加逐渐增大的环境应力，在较短时间内快速激发故障，确定液晶器件的故障模式、故障特征和故障发生部位，建立液晶器件的故障模式、故障特征与施加应力之间的关系，同时确定液晶器件的环境应力极限，为液晶器件的选用、可靠性测试应力水平设计提供科学依据。

现阶段对智能电表液晶器件采用的主要方法是常规可靠性（环境）测试：典型工作应力条件下的测试，用以验证产品在规定条件下和规定时间内能否实现预定功能。

该方法对智能电表液晶器件采用的测试基本以验证、筛选为目的，应力水平较低，持续时间较短，一般情况仅有通过与不通过两种结果，不能为发现故障原因，并建立液晶器件的故障模式、故障特征与施加应力之间的关系提高技术支持。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种智能电表液晶器件的关键故障特征的测定方法，用于在较短时间内快速激发故障，确定液晶器件的故障模式、故障特征和故障发生部位，建立液晶器件的故障模式、故障特征与施加应力之间的关系，同时确定液晶器件的环境应力极限，为液晶器件的选用、可靠性测试应力水平设计提供依据。

为实现上述目的，本发明提供了一种智能电表液晶器件的测试方法，包括：

对智能电表样品进行随机抽样，确定智能电表液晶器件可靠性的测试项目，确定测试剖面以及失效判据，并确定测试参数及测试方法后对所述智能电表液晶器件进行测试，对测试结果进行处理，记录液晶器件的故障模式频数比，进行可靠性试验，确定故障特征量。

本发明提供了一种液晶器件的抽样、试验和测试数据处理方法，该方法能在较短的时间内快速激发液晶故障，以确定液晶器件的故障模式；并通过对所测信号的处理得到液晶器件的关键故障特征。该方法作为一种新型的测试技术，效率高、成本低、可以从根本上提高产品固有可靠性，快速获得产品早期高可靠性，从而大大缩短产品研制时间，加快新产品投放市场，提高市场占有率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的智能电表液晶器件的关键故障特征的测定方法流程图；

图2为本发明实施例中步进应力测试剖面的示意图；

图3为本发明实施例中步进温度测试剖面的示意图；

图4为本发明实施例中步进湿度测试剖面的示意图；

图5为本发明实施例提供的对测试结果进行处理的方法流程图；

图6为本发明实施例提供的确定故障特征量的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

可靠性强化测试作为一种新型的测试技术，效率高、成本低、可以从根本上提高产品固有可靠性，快速获得产品早期高可靠性，从而大大缩短产品研制时间，加快新产品投放市场，提高市场占有率。

智能电表工作过程中，液晶器件经受的工作环境主应力主要包括温度、湿度和电应力三类。其中，温度和湿度会影响液晶显示器的ITO电极，电应力会对液晶电源板储能电容造成影响。

图1为本实施例提供的智能电表液晶器件的关键故障特征的测定方法流程图，具体包括以下步骤：

步骤100、对智能电表样品进行随机抽样。从总体N个单位中任意抽取n个单位作为样本，使每个可能的样本被抽中的概率相等的一种抽样方式。

步骤101、确定智能电表液晶器件可靠性的测试项目。针对每个主应力类型均应进行一组强化测试，确定该类应力下的工作极限。初步确定进行高温步进应力测试、湿度步进应力测试，其中每项测试中均有离线和在线环节，故无需单独考虑电应力测试。

具体测试样本数量，可根据实际情况选择，在本实施例中：

如果所有测试参数均可采取非破坏性测试，则每组强化测试均安排10个同批次液晶器件试样进行测试；如果部分测试参数须采取破坏性测试，则每组强化测试每个应力台阶下的非破坏测试全部完成后，每个破坏性测试项均随机取3个试样进行测试，并保证有效试样数不低于2个，那么每组强化测试需要准备的试样数为（3×破坏性测试项数×设计应力台阶数＋5），其中追加的5个试样为有效试样数不足2个时的备用试样。

步骤102、确定测试剖面。各项测试均采用步进应力剖面，剖面示意图见图2。各项测试的起始应力水平、应力步长、应力保持时间以及测试参数内容还需根据液晶应力设计值、测试能力等商讨确定。考虑到参数的测试手段以及温度、湿度、电压/电流等应力可能导致的测试参数漂移，部分测试项目须同时进行在线测试和离线测试（恢复到正常工作状态）。预计各项测试的测试时间约为100小时。

步骤103、确定失效判据。根据智能电表设计要求和相关标准规范等，确定智能电表液晶器件的失效判据。

失效模式主要有ITO电极腐蚀、偏光片失效、盒密封性失效等。ITO电极腐蚀大都是在存储条件或外加电场促进的条件下以电化学反应的方式产生的，周期有的只有数小时，有的可达数月之久，主要取决于腐蚀产生的条件的强弱。偏光片失效表现为偏光片变色，边缘发白且超过密封圈进入视阈内，出现气泡、分层、翘起等。盒密封性失效表现形式为边框封口胶漏液。封框胶是一种很粘稠的胶水，而且存在许多添加物。添加添加物这是为了实现在后续的紫外硬化以及热硬化时，速度比较快比较完全。进行封框胶涂布的目的之一就是防止液晶从液晶盒中泄露出来。其失效原因，即生产中的密封缺陷或使用中温湿度环境造成的框胶老化，致使框胶内液晶材料外漏。

步骤104、确定测试参数及测试方法。液晶器件的关键性能参数见表1，考虑到后期的失效分析，应保证可测参数均全部进行测试。

表1

步进温度测试：

同批次合格产品24个。其中破坏性测试（PIN脚拉力）样件6组（每组3个），这些试样在未进行破坏性测试前与其它试样同时进行非破坏测试。

液晶器件在表2所示条件下进行高温步进应力测试。

表2

具体测试剖面见图3。温度步进应力测试剖面具体参数如下：起始温度为40℃，结束温度为120℃；步长为10℃，其中50℃～90℃步长加密为5℃；升降温过程的温变率均为2.5℃/min；每个温度台阶的保温时间为2h，以确保测试样件的温度达到热平衡并且高温损伤能够累积；高温在线测试于各个温度台阶保温后期进行，并应在高温保温达到2h前全部完成，例如，若在线测试最长需时为0.5h，则在线测试于高温保温1.5h时开始；各个温度台阶保温结束后，冷却至离线测试温度并保温0.5h以达到热平衡，然后进行离线测试，离线测试环境湿度应保持在45%RH，其中温度台阶55℃、70℃、85℃、100℃、120℃还需在其它测试项目完成后随机抽取3个样件进行破坏性测试（PIN脚拉力）。测试项目见表1。

测试过程包括：

1、进行高温步进应力测试前，按照表1进行全部项目的离线测试并记录相关数据（包括照片），其中破坏性测试项目（PIN脚拉力）在其它非破坏性测试项目全部完成后随机抽取3个样件进行。

2、剩余所有样件放入温湿测试箱，按照图3设置测试剖面，开始进行相关测试，并记录测试过程和测试结果。各个温度台阶所有测试项目完成后，根据离线测试结果判断样件是否失效。对于破坏性失效（液晶盒密封破坏、无显示）的样件撤出测试，转入失效分析；否则继续进行下一温度台阶的测试。

3、当所有样件全部失效或完成温度台阶120℃的测试时，高温步进应力测试停止。

步进湿度测试：

同批次合格产品21个。其中破坏性测试样件5组（每组3个），这些试样在未进行破坏性测试前与其它试样同时进行非破坏测试。液晶器件在表3所示条件下进行高温步进应力测试。

表3

具体测试剖面见图4。湿度步进应力测试剖面具体参数如下：起始湿度为60%RH，结束湿度为95%RH，测试湿度依次为60%RH，75%RH，85%RH，90%RH，95%RH；各湿度点调节时间由测试箱的实际操作时间确定；每个湿度台阶的保湿时间为4h，以确保测试样件的湿度稳定并且损伤能够累积；高湿在线测试于各个湿度台阶保湿后期进行，并应在高湿保湿达到4h前全部完成，例如，若在线测试最长需时为0.5h，则在线测试于高湿保湿3.5h时开始；各个湿度台阶保湿结束后，回复至离线测试温度（23℃）和湿度（45%RH），当温度和湿度稳定后进行离线测试，其中湿度台阶75%RH、85%RH、90%RH、95%RH还需在其它测试项目完成后随机抽取3个样件进行破坏性测试（PIN脚拉力）。测试项目见表1。

测试过程包括：

1、进行湿度步进应力测试前，按照表1进行全部项目的离线测试并记录相关数据（包括照片），其中破坏性测试项目（PIN脚拉力）在其它非破坏性测试项目全部完成后随机抽取3个样件进行。

2、剩余所有样件放入温湿测试箱，按照图4设置测试剖面，开始进行相关测试，并记录测试过程和测试结果。各个湿度台阶所有测试项目完成后，根据离线测试结果判断样件是否失效。对于破坏性失效（液晶盒密封破坏、无显示）的样件撤出测试，转入失效分析；否则继续进行下一湿度台阶的测试。

3、当所有样件全部失效或完成湿度台阶95%RH的测试时，湿度步进应力测试停止。

步骤105、对测试结果进行处理。流程如图5所示：

步骤1051、分析液晶器件性能随温度的变化规律。根据液晶器件性能在每个温度台阶的离线测试结果，对性能随温度的变化规律进行定性/定量分析，确定温度应力下液晶器件的主要故障模式及影响其可靠性的关键性能参数。

步骤1052、分析液晶器件性能随湿度的变化规律。根据液晶器件性能在每个湿度台阶的离线测试结果，对性能随湿度的变化规律进行定性/定量分析，确定湿度应力下液晶器件的主要故障模式及影响其可靠性的关键性能参数。

步骤1053、确定工作极限应力。根据液晶器件离线测试结果和失效判据，确定温度和湿度工作极限，确定原则如下：将最先判定失效的温度（湿度）台阶的上一个台阶的温度（湿度）确定为液晶器件的工作极限值，因高温（高湿）以外因素（如试样制造缺陷）造成的失效不计入内；如果测试截止且并无失效发生，则将测试截止温度（湿度）确定为液晶器件的工作极限值。

根据上述方法，确定所有样件（因进行破坏性测试撤离测试的样件不计入内）的工作极限，将其中的最小值确定为液晶器件的工作极限，并记录在温度和湿度应力中出现的故障模式。

步骤106、记录液晶器件的故障模式频数比。

假设样本量为N，在强化试验中有m种故障模式，每种故障模式下发生的次数单位为台/次，假定为n₁,n₂，...n_m。计算每种故障模式的频数比：

$\begin{array}{cc}{f}_i=\frac{n_i}{N}& i=1\·\·\·m\end{array}$

设置故障频数比阈值为δ；假设若频数比大于δ的故障模式为主要故障模式，小于δ的故障模式为可忽略故障模式，设主要故障模式数为k。则液晶器件的主要故障模式为F₁,F₂,...F_k。

步骤107、进行可靠性试验。按照步骤106得到的主要故障F₁,F₂,...F_k作为液晶器件可靠性试验的测试项目，对这几个主要故障模式的指标进行测试；设每种故障模式的可测试指标为F_ij，其中i为主要故障模式数，j为i故障模式下的第j个测试指标。

步骤108、确定故障特征量。假设液晶器件可靠性试验的应力水平为S₁,S₂,...S_L，每个应力水平下的试验数据为，包括每种故障模式下的各种测试指标采样值。通过主成分分析法得到液晶器件每种主要故障模式下的特征量。如图6：

步骤1081：去数据均值；假设每个应力数据中共有i类测试信号，每类测试信号有m个测试指标，每个测试指标有n个采样数据点，定义为{D_mn}_i，去均值后的结果为

${\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{mn}}=D_{\mathrm{mn}}-{\stackrel{\‾}{D}}_m$

步骤1082：估计U的自相关矩阵R_U：

$R_U=E\left[\mathrm{UU}\right]T=\left[\begin{array}{cccc}E\left(u_1^2\right)& E\left(u_1{u}_2\right)& \·\·\·& E\left(u_1{u}_n\right)\\ E\left(u_2{u}_1\right)& E\left(u_2^2\right)& \·\·\·& E\left(u_2{u}_n\right)\\ \·& & & \\ \·& & & \\ \·& & & \\ E\left(u_n{u}_1\right)& E\left(u_n{u}_2\right)& \·\·\·& E\left(u_n^2\right)\end{array}\right]$

步骤1083：计算自相关矩阵R_U的对角矩阵R_V。求取矩阵R_U的k个特征根λ₁,λ₂,…,λ_k，由它们组成对角矩阵R_V，即：

$R_V=\left[E\left(v_i^2\right)\right]=\left[{\mathrm{\λ}}_i\right]$ (λ₁≥λ₂≥…λ_n＞0)

步骤1084：求取协方差矩阵C_V的特征值，并计算其贡献率：

C_V＝AC_UA^T

C_V、C_U分别是V和U的协方差矩阵，A是矩阵RU的特征矩阵；

得到C_V的特征根λ_j，j＝1,2,...l；计算贡献率：

$\frac{\underset{j=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_j}{\underset{j=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_j}>85\%$

则此s个特征根对应的A中的特征向量v₁,v₂,...v_s称为主成分。

步骤1085：重构矩阵，获取特征向量：

V_s×1＝A_s×nU_n×1

因此，得到的V_S×1为信号的特征向量。

智能电表液晶器件可靠性强化测试通过系统地施加逐渐增大的环境应力，在较短时间内快速激发故障，确定液晶器件的故障模式、故障特征和故障发生部位，建立液晶器件的故障模式、故障特征与施加应力之间的关系，同时确定液晶器件的环境应力极限，为液晶器件的选用、可靠性测试应力水平设计提供科学依据。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能电表液晶器件的测试方法，其特征在于，包括：

对智能电表样品进行随机抽样，确定智能电表液晶器件可靠性的测试项目，确定测试剖面以及失效判据，并确定测试参数及测试方法后对所述智能电表液晶器件进行测试，对测试结果进行处理，记录液晶器件的故障模式频数比，进行可靠性试验，确定故障特征量。

2.根据权利要求1所述的智能电表液晶器件的测试方法，其特征在于，所述确定智能电表液晶器件可靠性的测试项目的步骤具体包括：

针对每个主应力类型均应进行一组强化测试，确定该类主应力下的工作极限；初步确定进行高温步进应力测试、湿度步进应力测试，其中每项测试中均有离线和在线环节。

3.根据权利要求2所述的智能电表液晶器件的测试方法，其特征在于，所述确定测试剖面的步骤具体包括：

各项测试均采用步进应力剖面，各项测试的起始应力水平、应力步长、应力保持时间以及测试参数内容根据液晶应力设计值和测试能力确定。

4.根据权利要求3所述的智能电表液晶器件的测试方法，其特征在于，当所述测试为步进温度测试时，测试方法包括：

进行步进温度应力测试前，进行离线测试并记录相关数据，其中破坏性测试项目在非破坏性测试项目全部完成后随机抽取3个样件进行；

剩余所有样件放入温湿测试箱，设置测试剖面，开始进行测试，并记录测试过程和测试结果；各个温度台阶所有测试项目完成后，根据离线测试结果判断样件是否失效；对于破坏性失效的样件撤出测试，转入失效分析；否则继续进行下一温度台阶的测试；

当所有样件全部失效或完成温度台阶120℃的测试时，步进温度应力测试停止。

5.根据权利要求3所述的智能电表液晶器件的测试方法，其特征在于，当所述测试为步进湿度测试时，测试方法包括：

进行步进湿度应力测试前，进行离线测试并记录相关数据，其中破坏性测试项目在非破坏性测试项目全部完成后随机抽取3个样件进行；

剩余所有样件放入温湿测试箱，设置测试剖面，开始进行测试，并记录测试过程和测试结果；各个湿度台阶所有测试项目完成后，根据离线测试结果判断样件是否失效；对于破坏性失效的样件撤出测试，转入失效分析；否则继续进行下一湿度台阶的测试；

当所有样件全部失效或完成湿度台阶95%RH的测试时，湿度步进应力测试停止。

6.根据权利要求4或5所述的智能电表液晶器件的测试方法，其特征在于，所述对测试结果进行处理的步骤具体包括：

分析液晶器件性能随温度的变化规律，根据液晶器件性能在每个温度台阶的离线测试结果，对性能随温度的变化规律进行定性/定量分析，确定温度应力下液晶器件的主要故障模式及影响可靠性的关键性能参数；

分析液晶器件性能随湿度的变化规律，根据液晶器件性能在每个湿度台阶的离线测试结果，对性能随湿度的变化规律进行定性/定量分析，确定湿度应力下液晶器件的主要故障模式及影响可靠性的关键性能参数；

确定工作极限应力。

7.根据权利要求6所述的智能电表液晶器件的测试方法，其特征在于，所述确定工作极限应力的步骤具体包括：

根据液晶器件离线测试结果和失效判据，确定温度和湿度工作极限：将最先判定失效的温度或湿度台阶的上一个台阶的温度或湿度确定为液晶器件的工作极限值，因高温或高湿以外因素造成的失效不计入内；如果测试截止且并无失效发生，则将测试截止温度或湿度确定为液晶器件的工作极限值；

确定所有样件的工作极限，将其中的最小值确定为液晶器件的工作极限。

8.根据权利要求7所述的智能电表液晶器件的测试方法，其特征在于，所述记录液晶器件的故障模式频数比的步骤具体包括：

假设样本量为N，在强化试验中有m种故障模式，每种故障模式下发生的次数单位为台/次，假定为n₁,n₂，...n_m，计算每种故障模式的频数比：

$\begin{array}{cc}{f}_i=\frac{n_i}{N}& i=1\·\·\·m\end{array}$

设置故障频数比阈值为δ，假设若频数比大于δ的故障模式为主要故障模式，小于δ的故障模式为可忽略故障模式，设主要故障模式数为k，则液晶器件的主要故障模式为F₁,F₂,...F_k。

9.根据权利要求8所述的智能电表液晶器件的测试方法，其特征在于，所述进行可靠性试验的步骤具体包括：

按照所述主要故障F₁,F₂,...F_k作为液晶器件可靠性试验的测试项目，对所述主要故障模式的指标进行测试。

10.根据权利要求9所述的智能电表液晶器件的测试方法，其特征在于，所述确定故障特征量的步骤具体包括：

假设液晶器件可靠性试验的应力水平为S₁,S₂,...S_L，每个应力水平下的试验数据包括每种故障模式下的测试指标采样值，通过主成分分析法得到液晶器件每种主要故障模式下的特征量：

去数据均值；假设每个应力数据中共有i类测试信号，每类测试信号有m个测试指标，每个测试指标有n个采样数据点，定义为{D_mn}_i，去均值后的结果为

${\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{mn}}=D_{\mathrm{mn}}-{\stackrel{\‾}{D}}_m;$

估计U的自相关矩阵R_U：

$R_U=E\left[\mathrm{UU}\right]T=\left[\begin{array}{cccc}E\left(u_1^2\right)& E\left(u_1{u}_2\right)& \·\·\·& E\left(u_1{u}_n\right)\\ E\left(u_2{u}_1\right)& E\left(u_2^2\right)& \·\·\·& E\left(u_2{u}_n\right)\\ \·& & & \\ \·& & & \\ \·& & & \\ E\left(u_n{u}_1\right)& E\left(u_n{u}_2\right)& \·\·\·& E\left(u_n^2\right)\end{array}\right];$

计算自相关矩阵R_U的对角矩阵R_V，求取矩阵R_U的k个特征根λ₁,λ₂,…,λ_k，组成对角矩阵R_V：

$R_V=\left[E\left(v_i^2\right)\right]=\left[{\mathrm{\λ}}_i\right]$ (λ₁≥λ₂≥…λ_n＞0)；

求取协方差矩阵C_V的特征值，并计算其贡献率：

C_V＝AC_UA^T，

C_V、C_U分别是V和U的协方差矩阵，A是矩阵RU的特征矩阵；

得到C_V的特征根λ_j，j＝1,2,...l；计算贡献率：

$\frac{\underset{j=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_j}{\underset{j=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_j}>85\%$

则此s个特征根对应的A中的特征向量v₁,v₂,...v_s为主成分；

重构矩阵，获取特征向量：

V_s×1＝A_s×nU_n×1

得到的V_S×1为信号的特征向量。

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