CN107515366B - 一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法及测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Coffin‑Mason的LED引线寿命预测方法，属于LED测试技术领域，在加速寿命实验中增加功率循环载荷，通过有限元仿真计算获取金引线塑性应变幅，再结合温度与电流加速老化试验，拟合出样品的coffin‑mason公式，得到引线寿命与引线在不同工作条件下的应变幅的关系曲线，再对不同条件下的样品进行功率循环仿真计算得到应变幅，再根据公式预测出引线的实际寿命。本发明可实现对不同工作条件下的芯片在金属引线疲劳失效方面的寿命预测；预测寿命效率高，预测准确性高，引入功率循环供电因素，提高了老化实验以及预拟合寿命预测经验公式的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED引线寿命预测方法及测试装置，特别是涉及一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法及测试装置，属于LED测试技术领域。
背景技术
随着LED的普及与广泛应用，其可靠性也逐渐成为一个研究要点，而正装LED器件中金引线的失效，一直是制约着该类器件寿命的重要负面因素，传统快速寿命预测方法，如加速实验虽然预测较准确，但是费时费事，而单纯用仿真结果可靠性难以保证，因此本文兼顾加速实验的可靠性与仿真计算的便捷，引入一种更快的功率循环加速寿命预测方法，可以快速有效预测引线的实际寿命，并且误差在3％以内，因此该方法在大功率正装LED封装器件可靠性研究中有着广阔的应用前景。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法及测试装置，根据扇区关系进行切换采集到真实的相电流，采集下桥臂导通的两相电流，能保证采样电阻上有真实的电流流过，并针对采样区域小的问题，增大采样窗口并补偿。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法，在加速寿命实验中增加功率循环载荷，通过有限元仿真计算获取金引线塑性应变幅，再结合温度与电流加速老化试验，拟合出LED样品的coffin-mason公式，计算coffin-mason公式中的两个系数，得到引线寿命与引线在不同工作条件下的应变幅的关系曲线，再对不同条件下的样品进行功率循环仿真计算得到应变幅，再根据coffin-mason公式预测出引线的实际寿命。
进一步的，包括如下步骤：
步骤1：加速因子提取
为了满足温度和电流的双重应力的作用，在传统温度加速因子提取模型上增加电流应力条件，得到修正模型；
步骤2：功率循环老化
功率循环老化是通过功率循环老化平台来完成的，在加速寿命实验中增加功率循环载荷，得到不同加速条件下的LED样品寿命，根据LED样品寿命，与对应的加速因子结合计算得到实验预测寿命；
步骤3：有限元模型的构建与仿真
构建有限元模型，对有限元模型内的硅胶和金线进行非线性参数设定，对有限元模型采用1/4模型来计算，有限元模型的外表面为空气自然对流6W/(m·℃)，有限元模型的对称面绝热，有限元模型的底部施加固定约束；
步骤4：寿命预测
通过对不同加速条件下的模型计算得到各自的应变幅，再结合实验预测寿命预测出Coffin-Mason公式中的系数C1和C2，根据Coffin-Mason公式对任意工作条件下LED样品进行仿真计算，得到该工作条件下的使用寿命。
进一步的，所述步骤1中，得到的修正模型如式(1)所示：
其中：AF为加速因子；
α为温度影响系数，即环境温度对寿命的影响系数，α＝0.15；
β为电流影响系数，即工作电流对温度的影响因子，β＝0.5；
It为测试状态下的电流值，单位A；
Iu为正常工作状态下的电流值，单位A；
Eα＝1eV，k＝8.617385×10-5；
Tu＝298K，Tt＝378K，Z＝0.8，R＝4.3。
进一步的，所述步骤2中，所述功率循环老化平台由三台功率循环电源及配套夹具、三台电压巡检仪、一台PC机和一台恒温箱组成，每台功率循环电源分别为30个LED样品单独供电。
进一步的，所述步骤3中，所述有限元模型由外壳、封装硅胶、金线、电极、LED芯片和热沉组成。
进一步的，所述外壳的材料为环氧树脂，所述LED芯片的材料包括Al2O3，所述封装硅胶为粘弹性材料，所述热沉、所述LED芯片和所述电极的材料均为线性材料，所述金线的直径为30μm。
进一步的，所述步骤4中，所述Coffin-Mason公式如式(2)所示：
其中：Nf为预测的寿命；
Δεp为引线应变幅。
一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命测试装置，包括功率循环电源、巡检设备、监控设备和夹具，所述功率循环电源与所述夹具连接，所述夹具与所述巡检设备连接，所述巡检设备与所述监控设备连接。
进一步的，所述夹具夹持待测LED样品，所述夹具和所述待测LED样品均放置在高温炉内，所述高温炉与所述功率循环电源连接。
进一步的，所述功率循环电源和所述高温炉用于为所述待测LED样品提供压力老化测试条件，所述巡检设备用于实时采集样品电压数据，所述监控设备用于实时记录信息。
本发明的有益技术效果：按照本发明的基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法及测试装置，本发明提供的基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法及测试装置，可实现对不同工作条件下的芯片在金属引线疲劳失效方面的寿命预测；预测寿命效率高，通过仿真计算结果带入该样品预拟合寿命预测经验公式即可得到结果；预测准确性高，由于该样品预拟合寿命预测经验公式是基于加速老化试验得到的，因此准确度近似与加速老化试验；相较传统单一加速因素老化实验，增加到了两因素共同作用；引入功率循环供电因素，提高了老化实验以及预拟合寿命预测经验公式的效率。
附图说明
图1为按照本发明的基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法的一优选实施例的引线应变幅汇总图；
图2为按照本发明的基于Coffin-Mason的LED引线寿命测试装置的一优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供的一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法，在加速寿命实验中增加功率循环载荷，通过有限元仿真计算获取金引线塑性应变幅，再结合温度与电流加速老化试验，拟合出LED样品的coffin-mason公式，计算coffin-mason公式中的两个系数，得到引线寿命与引线在不同工作条件下的应变幅的关系曲线，再对不同条件下的样品进行功率循环仿真计算得到应变幅，再根据coffin-mason公式预测出引线的实际寿命；包括如下步骤：
步骤1：加速因子提取
为了满足温度和电流的双重应力的作用，在传统温度加速因子提取模型上增加电流应力条件，得到修正模型；
步骤2：功率循环老化
功率循环老化是通过功率循环老化平台来完成的，在加速寿命实验中增加功率循环载荷，得到不同加速条件下的LED样品寿命，根据LED样品寿命，与对应的加速因子结合计算得到实验预测寿命；
步骤3：有限元模型的构建与仿真
构建有限元模型，对有限元模型内的硅胶和金线进行非线性参数设定，对有限元模型采用1/4模型来计算，有限元模型的外表面为空气自然对流6W/(m·℃)，有限元模型的对称面绝热，有限元模型的底部施加固定约束；
步骤4：寿命预测
通过对不同加速条件下的模型计算得到各自的应变幅，再结合实验预测寿命预测出Coffin-Mason公式中的系数C1和C2，根据Coffin-Mason公式对任意工作条件下LED样品进行仿真计算，得到该工作条件下的使用寿命。
进一步的，所述步骤1中，得到的修正模型如式(1)所示：
其中：AF为加速因子；
α为温度影响系数，即环境温度对寿命的影响系数，α＝0.15；
β为电流影响系数，即工作电流对温度的影响因子，β＝0.5；
It为测试状态下的电流值，单位A；
Iu为正常工作状态下的电流值，单位A；
Eα＝1eV，k＝8.617385×10-5；
Tu＝298K，Tt＝378K，Z＝0.8，R＝4.3；
It＝0.7A，Iu＝0.3A。
将实验测试中的数据带入修正模型，可以得到环境温度为105℃、电流为700mA时的加速因子AF＝1121，同理可得其他条件下的加速因子。
进一步的，所述步骤2中，所述功率循环老化平台由三台功率循环电源及配套夹具、三台电压巡检仪、一台PC机和一台恒温箱组成，每台功率循环电源分别为30个LED样品单独供电，恒温箱温度设定为105℃，功率循环电源的循环周期都设置为1s，本次实验样品总共75颗，分为5组不同电流条件，分别为正常工作情况下的350mA以及正常压力条件下的500mA、700mA、900mA和1000mA。
通过实验可以得到各类加速条件下的样品寿命，然后与相应加速因子结合计算可得实验预测寿命。
进一步的，所述步骤3中，所述有限元模型由外壳、封装硅胶、金线、电极、LED芯片和热沉组成，所述外壳的材料为环氧树脂，所述LED芯片的材料包括Al2O3，所述封装硅胶为粘弹性材料，所述热沉、所述LED芯片和所述电极的材料均为线性材料，所述金线的直径为30μm。
进一步的，所述步骤4中，所述Coffin-Mason公式如式(2)所示：
其中：Nf为预测的寿命；
Δεp为引线应变幅。
如图2所示，本实施例提供的一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命测试装置，包括功率循环电源、巡检设备、监控设备和夹具，所述功率循环电源与所述夹具连接，所述夹具与所述巡检设备连接，所述巡检设备与所述监控设备连接；所述夹具夹持待测LED样品，所述夹具和所述待测LED样品均放置在高温炉内，所述高温炉与所述功率循环电源连接；所述功率循环电源和所述高温炉用于为所述待测LED样品提供压力老化测试条件，所述巡检设备用于实时采集样品电压数据，所述监控设备用于实时记录信息。
综上所述，按照本实施例的基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法及测试装置，本实施例提供的基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法及测试装置，可实现对不同工作条件下的芯片在金属引线疲劳失效方面的寿命预测；预测寿命效率高，通过仿真计算结果带入该样品预拟合寿命预测经验公式即可得到结果；预测准确性高，由于该样品预拟合寿命预测经验公式是基于加速老化试验得到的，因此准确度近似与加速老化试验；相较传统单一加速因素老化实验，增加到了两因素共同作用；引入功率循环供电因素，提高了老化实验以及预拟合寿命预测经验公式的效率。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法，其特征在于，在加速寿命实验中增加功率循环载荷，通过有限元仿真计算获取金引线塑性应变幅，再结合温度与电流加速老化试验，拟合出LED样品的coffin-mason公式，计算coffin-mason公式中的两个系数，得到引线寿命与引线在不同工作条件下的应变幅的关系曲线，再对不同条件下的样品进行功率循环仿真计算得到应变幅，再根据coffin-mason公式预测出引线的实际寿命；包括如下步骤：
步骤1：加速因子提取
为了满足温度和电流的双重应力的作用，在传统温度加速因子提取模型上增加电流应力条件，得到修正模型；
步骤2：功率循环老化
功率循环老化是通过功率循环老化平台来完成的，在加速寿命实验中增加功率循环载荷，得到不同加速条件下的LED样品寿命，根据LED样品寿命，与对应的加速因子结合计算得到实验预测寿命；
步骤3：有限元模型的构建与仿真
构建有限元模型，对有限元模型内的硅胶和金线进行非线性参数设定，对有限元模型采用1/4模型来计算，有限元模型的外表面为空气自然对流6W/(m·℃)，有限元模型的对称面绝热，有限元模型的底部施加固定约束；
步骤4：寿命预测
通过对不同加速条件下的模型计算得到各自的应变幅，再结合实验预测寿命预测出Coffin-Mason公式中的系数C1和C2，根据Coffin-Mason公式对任意工作条件下LED样品进行仿真计算，得到该工作条件下的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法，其特征在于，所述步骤1中，得到的修正模型如式(1)所示：
其中：AF为加速因子；
α为温度影响系数，即环境温度对寿命的影响系数，α＝0.15；
β为电流影响系数，即工作电流对温度的影响因子，β＝0.5；
It为测试状态下的电流值，单位A；
Iu为正常工作状态下的电流值，单位A；
Eα＝1eV，k＝8.617385×10-5；
Tu＝298K，Tt＝378K，Z＝0.8，R＝4.3。
3.根据权利要求1所述的一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2中，所述功率循环老化平台由三台功率循环电源及配套夹具、三台电压巡检仪、一台PC机和一台恒温箱组成，每台功率循环电源分别为30个LED样品单独供电。
4.根据权利要求1所述的一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法，其特征在于，所述步骤3中，所述有限元模型由外壳、封装硅胶、金线、电极、LED芯片和热沉组成。
5.根据权利要求4所述的一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法，其特征在于，所述外壳的材料为环氧树脂，所述LED芯片的材料包括Al2O3，所述封装硅胶为粘弹性材料，所述热沉、所述LED芯片和所述电极的材料均为线性材料，所述金线的直径为30μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命预测方法，其特征在于，所述步骤4中，所述Coffin-Mason公式如式(2)所示：
其中：Nf为预测的寿命；
Δεp为引线应变幅。
7.一种根据权利要求1-6任意一项所述预测方法的基于Coffin-Mason的LED引线寿命测试装置，其特征在于，包括功率循环电源、巡检设备、监控设备和夹具，所述功率循环电源与所述夹具连接，所述夹具与所述巡检设备连接，所述巡检设备与所述监控设备连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命测试装置，其特征在于，所述夹具夹持待测LED样品，所述夹具和所述待测LED样品均放置在高温炉内，所述高温炉与所述功率循环电源连接。
9.根据权利要求8所述的一种基于Coffin-Mason的LED引线寿命测试装置，其特征在于，所述功率循环电源和所述高温炉用于为所述待测LED样品提供压力老化测试条件，所述巡检设备用于实时采集样品电压数据，所述监控设备用于实时记录信息。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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