CN103292982A

CN103292982A - 基于步进应力的led灯具的加速退化试验方法

Info

Publication number: CN103292982A
Application number: CN2013102196021A
Authority: CN
Inventors: 杨道国; 蔡苗; 陈文彬; 贾红亮; 田万春; 刘东静
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-06-05
Also published as: CN103292982B

Abstract

本发明的基于步进应力的LED灯具的加速退化试验方法，是在LED灯具分解为LED光源子系统、驱动子系统和接口夹具子系统3个功能独立的子系统的基础上，分别对目标子系统进行分离式的加速试验，包含如下步骤：1）对LED灯具光源子系统进行步进应力的加速退化试验，得到正常应力水平下的失效概率密度函数；2）确定另外两个子系统的标称失效概率密度函数；测量LED整体灯具稳定工作时另外两个子系统的实际工作温度，得到另外两个子系统在各自实际工作环境下的失效概率密度函数；3）采用可靠性统计分析方法推导出整个LED灯具的可靠度分布函数，进而实现LED灯具系统的加速退化试验评估。该方法能有效地缩短加速评估周期，减小试验成本。

Description

基于步进应力的LED灯具的加速退化试验方法

技术领域：

本发明涉及LED，具体是LED灯具的加速退化试验技术，更具体是基于步进应力的LED灯具的加速退化试验方法。

背景技术

LED (Light Emitting Diode) 因其寿命长，无污染，高效节能等优点而备受青睐。在通用照明领域，它的广泛应用将是继白炽灯之后的又一场革命。然而，现阶段缺乏切实可行的LED照明灯具可靠性加速试验方法及标准，这成为制约LED进入通用照明领域的瓶颈。

美国能源之星提出对试验样品进行至少6000小时的常温试验，而这样的要求对于力图高效开发的企业来说难以实行。如果需要在更短的时间得出产品的可靠性，需要使用更苛刻、更高的环境应力对产品进行加速试验。当实施高应力加速试验时，LED灯具的驱动电源和接口等薄弱子系统通常会过早的出现失效，然而LED光源部分却完好无损，这不符合于LED灯具系统正常工作时的退化情况及失效机理。其主要原因之一是整体LED灯具的各子系统的应力极限差异性大。为解决该问题，专利申请201210396830.1中提出了使用子系统分解的方法进行可靠性评估，即将LED灯具系统分解为若干个功能独立的子系统，然后，在保持整个系统能闭合工作的前提下，将目标子系统置于加速试验环境中，并进行可靠性加速试验。基于LED灯具子系统分解的方法，只单纯使用传统的恒定应力加速试验方法对LED光源子系统进行加速退化试验，产品评估周期仍然过长，成本问题也还是不能得到很好解决。因此，基于子系统分解的方法，针对LED光源子系统高可靠，长寿命的特征，进一步探索合适的加速退化试验方法具有非常重要的意义。

发明内容：

本发明的目的是提供基于步进应力的LED灯具的加速退化试验方法。该方法在将LED灯具系统分解为3个功能独立的子系统基础上，将步进应力试验方法应用于LED灯具光源子系统的加速退化试验，以便缩短试验评估时间和降低试验成本。

实现本发明目的的技术方案是：

在将LED灯具系统分解为3个功能独立的子系统基础上，将LED光源子系统作为加速退化试验评估的目标子系统；针对LED灯具特点，选择恒定湿度和步进温度应力作为加速试验条件，并在设定合理的样品数、应力水平、应力步长、参数测量频率等试验参数的前提下，对目标子系统进行隔离式加速退化试验；结合退化轨迹模型及加速寿命模型，折算加速退化数据，推导得到目标子系统的失效概率密度函数；确定驱动子系统和接口夹具子系统的标称失效概率密度函数，并在测量LED整体灯具稳定工作时各子系统的实际工作温度的基础上，得到各子系统在各自实际工作环境下的失效概率密度函数；采用现有的系统可靠性分析方法技术（故障树结合蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟方法）推导出整个LED灯具的可靠度分布函数和其它可靠性特征，实现LED灯具系统的加速退化试验评估。

本发明的基于步进应力的LED灯具的加速退化试验方法，具体为：在LED灯具分解为LED光源子系统、驱动子系统和接口夹具子系统3个功能独立的子系统的基础上，分别对目标子系统进行分离式的加速试验，包含如下步骤：

1）对LED灯具光源子系统进行步进应力的加速退化试验，得到正常应力水平下的失效概率密度函数；

2）确定另外两个子系统的标称失效概率密度函数；测量LED整体灯具稳定工作时另外两个子系统的实际工作温度，得到另外两个子系统在各自实际工作环境下的失效概率密度函数；

3）采用可靠性统计分析方法推导出整个LED灯具的可靠度分布函数，进而实现LED灯具系统的加速退化试验评估。

本发明的基于步进应力的LED灯具的加速退化试验方法，其中对LED灯具光源子系统进行步进应力的加速退化试验，是基于如下五点假设：

假定一：LED灯具光源子系统经历的性能退化不可逆转，即性能退化过程具有单调性；

假定二：在每一个加速应力水平下LED灯具光源子系统的失效机理与失效模式均保持不变；

假定三：在不同应力水平下LED灯具光源子系统的加速退化数据具有相同的分布形式，同时利用性能退化数据得到的样品伪失效寿命在不同应力水平下应服从同一分布类型，如Weibull分布；

假定四：LED灯具光源子系统的残余寿命与累积的方式无关，仅取决于加载的应力水平和已累积失效部分；

假定五：LED灯具光源子系统的性能退化过程可以通过线性或线性化的表达式来描述。

所述步骤1）包含过程

A、设定具体置信度数值和样品数量；

B、将LED光源子系统放置于加速环境试验箱中，装配连接；

C、确定恒定湿度应力、步进温度应力水平及试验总时间，设定各温度应力的步长时间及测量时间节点；

D、测量光通量初始值，运行步进应力加速退化试验，在测量时间节点测量LED光源子系统的性能退化参数；

E、拟合各温度应力下的LED灯具性能退化数据，计算样品在恒定湿度应力下不同温度应力水平的伪失效寿命；

F、计算正常湿度下不同温度应力水平的伪失效寿命；

G、对正常湿度下不同温度应力水平的伪失效寿命进行分布检验；

H、结合阿伦尼斯(Arrhenius)模型，得出正常应力水平下的失效概率密度函数。

过程A中，在LED灯具产品寿命服从Weibull分布时，对于加速退化试验，在确定的可靠度

Figure 2013102196021100002DEST_PATH_IMAGE001

，即可得出置信度

与试验样品数

Figure 2013102196021100002DEST_PATH_IMAGE003

的关系为：（1）

可靠度

取0.9～0.99，置信度取0.7～0.9。

在过程C，由于湿度是影响LED灯具光源子系统的一个关键因素，加速退化试验过程中添加湿度应力将会进一步缩短试验时间，温度应力的最高水平不应超过产品的工作极限。所以综合这两点本发明采用步进温度应力与恒定湿度应力结合，对LED灯具光源子系统进行加速退化试验。恒定湿度应力范围为70%RH ～85%RH。

选择应力水平之前，产品的极限温度应力（退化机理不发生变化的温度极限）需要事先得到确认。在不知道产品应力极限时，本发明使用高加速寿命试验（HALT）, 过程是从产品高标称温度水平开始，逐步提高温度水平等级，推荐5℃/等级，每个应力水平加载时间以样品能达到热透即样品整体温度分布稳定为终点，使样品达到均温状态，推荐使用12小时；同时在每个应力水平前后测量取得一组产品的性能参数,在样品参数发生急剧退化或者样品致命失效的温度点作为产品的极限温度应力T_h。设定流明退化及色坐标漂移剧烈变化前一个温度点为极限温度应力T_h。

在总加速试验时间一定时，为保证每个应力水平样品有足够的退化量，并根据产品寿命外推过程的最少需要，将温度应力水平设置为三步进行步进加速试验。为确保产品的退化机理不发生变化，本发明推荐将SSADT时的最高应力水平由式（2）设置。参照灯具厂家的最高标称温度T_b，由式（3）设置最低应力水平。在最高与最低的温度区间内选取中间应力水平，建议中间应力水平偏向于最高应力水平，但为保证各应力有不同的退化速率，S₂应比最高应力低10℃～15℃。

Figure 2013102196021100002DEST_PATH_IMAGE005

（

取10℃～15℃）（2）

（

取0℃～10℃）（3）

本发明设置总试验时间为1000～3000小时。为了可以将高应力水平的退化量折算为低应力水平的退化量，各加速应力水平下的退化量需要设定为相同值。由此，根据阿伦尼斯(Arrhenius)模型加速因子（AF），则有：

Figure 2013102196021100002DEST_PATH_IMAGE009

，

即三步的步长时间t₁、t₂、t₃的关系为：

（4）

式中，T _u=298.15K，T ₁ 、T ₂ 、T ₃分别为S₁ 、S₂、S₃转换成的绝对温度值（K），Ea为激活能， k为玻尔兹曼常数（Boltzmann constant）

进而得出三个加速应力的加载时间比值。

此外，每个应力开始和结束的时间点分别测量一次样品性能数据。同时，为保证有足够的外推实验数据，在应力加载的过程中至少再设定两个样品性能数据测量时间点（即每个应力水平至少有四组测量数据）。

在过程E。选取拟合优度较好的退化模型拟合各个等级应力下的LED灯具性能退化数据，并计算出样品在恒定湿度应力下不同温度应力水平的伪失效寿命。拟合模型为线性模型或指数模型，线性模型便于快速的数据处理，指数模型能更精确的寿命预测。

线性模型：

Figure 2013102196021100002DEST_PATH_IMAGE011

（5）

指数模型：

（6）

其中，为光通量（或流明维持率），

为时间，和

为拟合参数。

为避免指数模型退化轨迹折算的复杂运算，高应力退化轨迹指数模型拟合折算时，使用线性化后的模型进行统计分析。通过平移的方式，高应力的实际退化轨迹转换为对应应力的理论退化轨迹，主要利用如下两个规律：（1）线性化后的各应力拟合方程线性截距ln(a)一样；（2）数据点平移前后的拟合斜率b一样。

在过程F，将高湿应力下的伪寿命折算为正常湿度各温度应力下的失效寿命时，根据温湿模型（PECK模型）（其中，t为产品的寿命特征，Ea为激活能， k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度， H为相对湿度，单位为%RH；C和β为拟合参数）推导出高湿度应力（

）对正常湿度应力（

）的加速因子（

）关系式：

在恒定高湿步进温度应力加速退化试验中，试验样品在各温度应力水平下的伪失效寿命可由上式得出为：

Figure 2013102196021100002DEST_PATH_IMAGE023

（7）

其中，

值为相对湿度的拟合参数，取0.8。Hs为步骤C确定的恒定湿度，Hu正常湿度，A为前因子(也称频率因子)，Ea为激活能， k为玻尔兹曼常数，t _si为正常湿度下温度应力水平为T _i的伪失效寿命，i=1、2、3。

由试验的光通量退化数据，外推得到试验样品在恒定高湿应力下不同温度应力水平的伪失效寿命时，利用上面式（7）模型的湿应力加速的处理原理，便可以折算伪失效寿命为样品在正常湿度下不同温度应力水平的伪失效寿命。

在过程G，选用相关系数较高的分布如Weibull分布、正态分布或对数正态分布进行分布检验，结合阿伦尼斯(Arrhenius)模型，对样品在正常湿度下不同温度应力水平的伪失效寿命进行分布检验，求出正常应力水平下的分布参数，得出目标光源子系统在对应分布下的可靠度分布函数和失效概率密度函数。

本发明在步骤2），利用现有或厂家提供的标称可靠度分布函数，确定驱动子系统和接口夹具子系统的标称失效概率密度函数。

本发明在步骤3）采用现有的可靠性统计分析方法为故障树结合蒙特卡洛模拟(Monte Carlo)方法。利用随机抽样的方式，产生一组服从相应失效概率密度函数的各子系统的寿命组合；根据故障树建立的可靠性逻辑关系，得到LED灯具对应的寿命。抽样及模拟过程n次（n由拟合精度决定），即可拟合出LED灯具的失效概率密度函数，进而得到其累积失效分布函数F(t)和可靠度分布函数R(t)。进而实现LED灯具系统的加速退化试验评估。

本发明的优点在于：在将LED灯具子系统分解的基础上，采用恒定高湿度和步进温度应力的加速退化试验条件，不仅避免了直接针对整体灯具系统的可靠性加速试验的复杂性甚至不可行性，而且可以效地缩短加速评估周期，减小试验成本；同时，在集成各子系统可靠度时，考虑了灯具工作时各子系统的实际工作环境，得到的灯具系统可靠性特征更切合实际，在灯具可靠性设计中具有较好的实用性。本发明的方法不仅可用于LED室内照明灯具的可靠性加速退化试验评估中，而且可作为其它场合的LED照明系统加速试验评估的借鉴。

附图说明：

　　图1 本发明的加速退化试验方法流程图；

　　图2是样品数量与置信度的关系曲线示意图；

　　图3为试验方案时间和应力水平设计示意图；

　　图4 为HALT试验样品温度应力与光通量关系曲线示意图；

　　图5 是样品的流明维持率退化轨迹示意图；

　　图6 是线性化模型的高应力退化数据折算方法示意图；

图7 为各子系统到LED灯具系统可靠性评估结果示意图。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例进一步对本发明作详细阐述。

见图1。本发明实施的程序为：设定具体置信度和样品数量——LED灯具子系统分解，搭建目标子系统的隔离式测试平台——设定恒高湿步进温度应力的试验参数——运行设定的步进应力试验，并收集退化数据——确定退化模型计算样品在高湿应力不同温度应力水平下的伪失效寿命——折算高湿应力下的伪寿命为正常湿度温度下的失效寿命——分布检验，并得到目标子系统的失效概率密度函数——测量各子系统的实际工作温度，得到各自实际工作环境下的失效概率密度函数——由系统可靠性统计分析方法得到LED灯具的可靠特征。

总的说来包含三个步骤：

步骤1）包含的过程为：

A、设定具体置信度数值和样品数量；

B、将LED光源子系统放置于加速环境试验箱中，装配连接；

F、计算正常湿度下不同温度应力水平的伪失效寿命；

过程A中，利用式（1），取可靠度为0.9，得样品数量与置信度的关系曲线如图2所示。选取置信度为0.83，样品个数为8。

在过程B，选取12W的LED室内射灯，在LED灯具系统分解为3个功能独立的子系统（包括LED光源子系统（含模组、散热及光学部件）、驱动子系统和接口夹具子系统）的基础上，将LED光源子系统目标子系统放置于加速环境试验箱中，通过连接端口连接试验箱外部的其它子系统，使整个系统保持闭合工作状态；

在过程C，恒定高湿度应力取湿度85%RH，施加温度湿度剖面如图3所示。

设定流明退化及色坐标漂移剧烈变化前一个温度点为极限温度应力T_h（为110℃）。如图4。

选定的温度应力水平为S₁ =65℃、S₂=85℃和S₃=95℃，常温应力为T _u=25℃=298.15K，将S₁ 、S₂、S₃分别转换成绝对温度值T ₁ 、T ₂ 、T ₃（K），代入式(4)，则可得

，按2000小时的总时长，则各应力加载时间分别为：855小时、610小时和535小时。

在每个应力水平上测量四组数据。

然后进入过程D。测量光通量初始值，并运行上述设定的步进应力加速退化试验；并在测量时间点时，测量并收集LED光源子系统的性能退化参数，如图5所示。

在过程E，选取拟合优度较好的指数模型做为退化模型拟合各个等级应力下的LED灯具性能退化数据，并计算出样品在高湿应力下不同温度应力水平的伪失效寿命。

为避免指数模型退化轨迹折算的复杂运算，高应力退化轨迹指数模型拟合折算时，使用线性化后的模型进行统计分析。如图6所示，通过平移的方式，高应力的实际退化轨迹转换为对应应力的理论退化轨迹，主要利用如下两个规律：（1）线性化后的各应力拟合方程线性截距ln(a)一样；（2）数据点平移前后的拟合斜率b一样。

在过程F，H _s取为85%RH, H _u取为65%RH，β取0.8，按照式（7）计算S₁ =65℃、S₂=85℃和S₃=95℃（转换成绝对温度值T ₁ 、T ₂ 、T ₃）时的正常湿度下各温度应力水平的伪失效寿命t _s1、t _s2、t _s3。

在过程G，利用正态分布对样品在正常湿度下不同温度应力水平的伪失效寿命进行分布检验，结合阿伦尼斯(Arrhenius)模型，求出正常应力水平下的分布参数，得出目标光源子系统A在对应分布下的可靠度分布函数和失效概率密度函数。

在步骤2）求得LED整体射灯在25℃稳定工作时，测量得到子系统的工作环境是65℃，子系统C的工作环境是45℃。

在步骤3）进行抽样及模拟过程，拟合出LED灯具的失效概率密度函数，进而得到其累积失效分布函数F(t)和可靠度分布函数R(t)，进而实现LED灯具系统的加速退化试验评估。

如图7所示，本实施例中LED灯具平均寿命为12665小时，中位寿命为10669小时，可靠度为0.5时的可靠寿命为10666小时。

Claims

1.基于步进应力的LED灯具的加速退化试验方法，在LED灯具分解为LED光源子系统、驱动子系统和接口夹具子系统3个功能独立的子系统的基础上，分别对目标子系统进行分离式的加速试验，其特征是：包含如下步骤：

2.根据权利要求1的方法，其特征是：步骤1）包含过程

A、设定具体置信度数值和样品数量；

B、将LED光源子系统放置于加速环境试验箱中，装配连接；

F、计算正常湿度下不同温度应力水平的伪失效寿命；

H、结合阿伦尼斯模型，得出正常应力水平下的失效概率密度函数。

3.根据权利要求2的方法，其特征是：过程A中，在确定的可靠度

Figure 2013102196021100001DEST_PATH_IMAGE001

，置信度

与试验样品数

Figure 2013102196021100001DEST_PATH_IMAGE003

的关系为，

可靠度取0.9～0.99，置信度

取0.7～0.9。

4.根据权利要求2的方法，其特征是：在过程C，

恒定湿度应力范围为70%RH ～85%RH；

设定高加速寿命试验HALT的流明退化及色坐标漂移剧烈变化前一个温度点为极限温度应力T_h，参照灯具厂家的最高标称温度T_b，步进温度应力水平分为三步，最高应力水平S_3、最低应力水平S₁和中间应力水平S₂分别为：

Figure 2013102196021100001DEST_PATH_IMAGE005

，

取10℃～15℃，

，

取0℃～10℃，

S₂比S₃低10℃～15℃，

三步的步长时间t₁、t₂、t₃的关系为：

，

式中，T _u=298.15K，T ₁ 、T ₂ 、T ₃分别为S₁ 、S₂、S₃转换成的绝对温度值，单位为K，Ea为激活能，k为玻尔兹曼常数；

试验总时间1000～3000小时；

测量时间节点为每个步进温度应力开始和结束的时间点，加上应力加载过程中的至少两个时间点。

5.根据权利要求2的方法，其特征是：在过程E，拟合模型为线性模型或指数模型，且当选用指数模型拟合折算时，使用线性化后的模型进行统计分析。

6.根据权利要求2的方法，其特征是：在过程F，伪失效寿命按下式计算

其中，

值为相对湿度的拟合参数，

为步骤C确定的恒定湿度，正常湿度，A为前因子，Ea为激活能， k为玻尔兹曼常数，t _si正常湿度下温度应力水平为T _i的伪失效寿命，i=1、2、3。

7.根据权利要求2的方法，其特征是：在过程G，分布检验使用的方法选自：Weibull分布、正态分布和对数正态分布。

8.根据权利要求1的方法，其特征是：在步骤2），利用现有或厂家提供的标称可靠度分布函数，确定驱动子系统和接口夹具子系统的标称失效概率密度函数。

9.根据权利要求1的方法，其特征是：在步骤3）采用的可靠性统计分析方法为故障树法结合蒙特卡洛模拟方法。