CN107885904A - 一种led灯具可控寿命的设计系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED灯具可控寿命的设计系统及方法，本系统包括：基础数据管理、失效机理管理与模拟仿真建模功能；进行LED灯具可控寿命设计包括的步骤：设定LED灯具中所有的失效点；设置与失效点相关的参数；选择合适的失效模型，对失效点进行分析；对于每个模型给出各个模型计算寿命的结果，综合各个模型得出设计的LED灯具寿命；依次分析多个失效点。本发明综合考虑LED灯具的结构、环境条件，结合常见的失效模型，实现对LED灯具寿命的准确评估。
Description
技术领域
本发明涉及LED产品测试技术领域，特别涉及一种LED灯具可控寿命的设计系统及方法。
背景技术
现阶段，技术人员在设计LED灯具时，无法在设计阶段结合LED灯具的结构和LED灯具使用的环境条件进行有效的可靠性设计和产品寿命的预估，难以实现LED灯具的可控寿命设计。
现有技术中，企业普遍采用试错法进行LED的设计，通过反复修改LED设计参数，并生产LED灯具样品进行寿命实验验证，最终得到目标寿命的设计方案。由于设计是反复迭代进行的，同时LED灯具寿命试验耗时长，所以传统LED灯具设计周期长、成本高，设计过程中无法很好的控制产品的可靠性和寿命，也无法针对目标寿命合理有效的控制LED灯具的造价。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种LED灯具可控寿命的设计系统及方法，综合考虑LED灯具的结构、环境条件，结合常见的失效模型，能够实现对LED灯具寿命的准确评估。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种LED灯具可控寿命的设计系统，包括基础数据管理模块、失效机理管理模块和模拟仿真建模模块；
基础数据管理模块包括描述外界应力的应力库、记录原材料的材料库和包含各种电子元器件的芯片库；用户能够在此模块完成对基础信息包括：应力信息、材料信息和芯片信息的录入、编辑和管理；
失效机理管理模块包括失效模型库、常数集和参数集，失效模型库包括失效模式的相关信息、失效模式模型公式描述和引用文献，常数集包括失效模式模型公式中出现的常量，参数集包括失效模式模型公式中使用的参数变量；
模拟仿真建模模块包括器件分析模块、板级电路分析模块、模组对象管理模块和LED灯具仿真模块；器件分析模块使用系统中的基础数据包括部件、原材料、应力，根据实际需要描述器件的信息，构造出需要的器件系统；板级电路分析模块可设置板级电路的相关信息完成板级电路的设计；模组对象管理模块把属于该模组的板级电路关联起来，维护LED灯具的各模组结构包括：灯壳模块、光源模块、导热胶、散热器和电源模块；LED灯具仿真模块实现灯具信息维护、全寿命管理和寿命预计与分析的功能；
系统通过失效模式匹配，分析出给定的板级电路、器件所包含的失效点以及可计算的有效失效点；对于可计算的失效点通过综合对比给出其失效的时间，对比期望的寿命值，给出是否满足寿命期望的预计，达到寿命预计的效果。
优选的，失效模型库中，失效模式包括电迁移、绝缘体击穿、电解寿命、热疲劳。
优选的，失效模型库中，对于失效模式中的失效公式，系统提供了相关的检测和校验功能，包括：失效公式中参数到基本属性的映射，基本属性包括来自原材料、部件以及应力的基础信息，对于没有映射的参数，将提醒用户进行参数映射；对于公式的计算结果验证，用户可以通过对各个参数进行赋值，以进行计算，确认计算的结果，及时发现除零、计算结果越界溢出的异常情况。
优选的，板级电路分析模块在板级电路建模的过程中，首先要确认板级电路的相关信息，包括：形状设置；印制板参数，包括使用的焊接材料、电镀材料信息；层管理，包括印制板中包括的层数、每层的绝缘材料以及电导材料；隔层管理，描述隔层的大小、所在层；通孔管理，包括通孔的位置、关联的组件；组件管理，在板级电路上添加基本的部件。
优选的，针对板级电路建模，系统提供了图形化的设计方式，用户可以通过拖拽的方式调整印制板的大小、添加隔层、添加通孔以及添加组件；直观地展现设计的效果，同时系统还提供了放大缩小以及正反面切换视图操作。
一种LED灯具可控寿命的设计方法，包括以下步骤：
S1、设定LED灯具中所有的失效点，失效点指的是导致失效故障的因素；
S2、设置与失效点相关的参数，包括器件参数、环境参数、设计目标；
S3、选择合适的失效模型，对失效点进行分析；
S4、对于每个模型给出各个模型计算寿命的结果，综合各个模型得出设计的LED灯具寿命；
S5、依次分析多个失效点，如果设计的LED灯具寿命值满足要求，则完成相关LED灯具的设计；
否则，再重复步骤S2-S4，直到计算的LED寿命值满足设定的期望寿命。
优选的，针对LED灯具设备，其失效点包括：LED芯片，电源电路，散热设备。
优选的，收集相关失效模型公式建立失效模型库，在进行LED灯具的寿命预计时，使用失效模型库的相应失效模型进行计算。
优选的，对同一个失效点可以使用不同的失效模型进行寿命估计。
优选的，若缺少某一失效模型所需的相关参数，则这一失效模型不进行计算。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明综合考虑LED灯具的结构，环境条件，结合常见的失效模型，实现对于设计的LED灯具寿命准确评估功能。由于LED灯具寿命与各部件的质量成本直接相关，因此对于目标LED对象的寿命设计，选取合适的部件，可以实现满足目标寿命的成本最小化，降低LED灯具可控寿命的成本。
附图说明
图1是实施例1系统功能模块图。
图2是实施例2方法的流程图。
具体实施方式
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。
实施例1
一种LED灯具可控寿命的设计系统，LED灯具寿命评估主要划分为以下功能模块：基础数据管理、失效机理管理、模拟仿真建模等功能模块。
系统功能模块图如图1，其中，基础数据管理模块，用户能够在此完成对应力信息、材料信息、芯片信息等基础数据的录入、编辑和管理。各功能具体如下：
a)应力库主要用于描述电子元器件失效及寿命中的外界应力，主要包括4种类型：温度循环、随机振动、机械冲击和湿度偏置电压。对于不同的应力类型描述主要包括应力的标识以及应力的属性。
b)材料库主要是对相关的原材料进行描述，记录原材料相关的参数。对各种元器件中要使用的原材料进行记录。现在描述材料已经包括粘结料、引线材料、半导体等10来种材料的描述，对于各种材料系统将从材料标识、机械参数、热参数、失效参数、电学参数以及化学参数等等方面进行详细描述。以便于在电子元器件及印制板失效分析中使用相关数据。对于描述材料相关的属性，如果是一个随温度变化而变化的值，系统还提供了相关的温度相关的描述。
c)芯片(也称构件)库包括系统中基本的电子元器件类型，芯片可以根据器件类型和封装类型进行分类。根据器件可以分为电容、晶体、二极管、电感等类型，按照封装类型可以分为通用封装、金属封装、无引线芯片封装、轴向封装等等类型。对于不同的构件描述的相关信息也不尽相同，基本的包括：标识信息，用于标识相关部件以及对部件进行说明；一般信息，用于描述部件的形状大小重量等信息；工作属性，用于描述部件适用的环境参数等，对于不同的部件还有其他的描述信息。对于某些由于生产工艺原因，产生的不确定值，系统提供了使用相关的统计分布用于描述。
失效机理管理包括用于描述物理失效的模型，它包括失效模式管理、常数管理和参数管理等功能。各功能具体如下：
a)失效模型库描述失效的相关信息，主要包括：1)失效模式的相关信息，包括具体失效模式的名称、作者、模式分类、失效点名称、可用条件、成因以及注意事项等相关内容；2)失效模式的描述，这里是对该失效模式的详细描述；3)失效模式公式，该公式结合灯具的相关参数，可实现LED灯具的寿命评估；同时失效模式还包括了对于各个参数的描述以及参数对应的属性；4)最后失效模式引用，主要是给出相关引用文献。对于失效模式中的失效公式，系统提供了相关的检测和校验工作，包括：失效公式中参数到基本属性的映射，基本属性包括来自原材料、部件以及应力等的基础信息，对于没有映射的参数，将提醒用户进行参数映射；对于公式的计算结果验证，用户可以通过对各个参数进行赋值，以进行计算，确认计算的结果。及时发现除零、计算结果越界溢出等异常情况。系统对于失效模式进行分类管理，包括：电迁移、绝缘体击穿、电解寿命、热疲劳等类型。
b)常数集包括失效模式模型公式中出现的常量。常见的常量有，圆周率π，自然对数值e，波尔兹曼常量K等等。该常量值是固定的，对于每一个常量，系统描述包括常量名称(在失效公式中使用)、具体值、单位以及常量描述。
c)参数集包括失效模式模型公式中使用的参数(变量)，在参数集管理，用户可以通过参数分类对相关的变量归类。参数通过关联材料或者芯片中的属性值，进行寿命预计分析时通过该属性值进行计算。在参数编辑界面还可以设置参数的单位、转换公式等。
模拟仿真建模包括器件、板级电路、LED灯具仿真建模，是该系统中一项非常重要的功能。同时，由于较好的可配置性，使得系统的仿真建模具有很强的准确性和可扩展性。各功能具体如下：
a)器件分析主要是使用系统中的基础数据(包括部件、原材料、应力等)，根据实际需要描述器件的信息。器件分类也类似于构件分类，包括器件类型和封装类型。在新建器件时，首先要选择相关的封装类型，一般也包括标识信息、一般信息、引线参数、工作属性等等；对于不同的封装类型，器件描述的信息不完全相同。在器件中可以添加零部件，零部件包括设备和导线两种类型。关于设备零部件，主要是选择相关的部件以及描述零部件的位置与器件的连接方式等等；对于导线零部件信息主要包括导线材料、连接点描述以及连接方式等等。通过添加零部件的方式可以在器件中添加多个部件。构造出复杂的器件系统。
b)对于板级电路分析，与器件分析稍微有所不同，在板级电路建模的过程中，首先要确认板级电路的相关信息，主要包括，形状设置；印制板参数：包括使用的焊接材料，电镀材料等信息；层管理，包括印制板中包括的层数，每层的绝缘材料以及电导材料等；隔层管理：描述隔层的大小、所在层等；通孔管理：包括通孔的位置，关联的组件等；组件管理：在板级电路上添加基本的部件等。由于涉及到需要添加编辑的内容较多，系统提供了图形化的设计方式。用户可以方便的通过拖拽的方式调整印制板的大小，添加隔层，添加通孔以及添加组件。可以形象地展现设计的效果。同时系统还提供了放大缩小以及正反面切换视图等操作。对于印制板的设计，系统提供了导入PCD类型的数据，完成板级电路的设计。
c)模组对象管理用于维护LED灯具的各组件模块，LED灯具主要包括灯壳模块、光源模块、导热胶、散热器和电源模块等，模组把属于该模组的板级电路关联起来，维护LED灯具灯壳模块、光源模块、导热胶、散热器和电源模块的结构。
d)LED灯具仿真主要包括灯具信息维护、全寿命管理和寿命预计与分析的功能。灯具信息维护，主要维护LED灯具的基础信息(名称、品牌、厂家、额定功率和描述)、关联LED灯具结构(灯壳模块、光源模块、导热胶、散热器和电源模块等)。全寿命管理包括寿命的期望以及所用的操作数据。全寿命分析数据，主要是针对不同的电子器件描述器件的期望寿命，所处的外部环境以及应力等信息。全寿命的应力信息可以是来自与基础数据的应力信息，也可以是特定的操作数据。LED灯具的失效预计都是基于全寿命数据和本身所包含的部件进行分析。系统通过失效模式匹配，分析出给定的板级电路、器件所包含的失效点以及可计算的有效失效点。对于可计算的失效点通过综合对比给出其失效的时间，对比期望的寿命值，给出是否满足寿命期望的预计，达到寿命预计的效果。
实施例2
一种LED灯具可控寿命的设计方法，该方法综合考虑LED灯具的组成结构，包括:电源电路、LED芯片、散热装置等可能失效的部分，结合灯具可能使用的环境条件，包括：温度、湿度等等，使用可能出现的失效模型，进行评估计算。最终得出LED灯具的寿命时间，对于不满足设计使用目标的，调整相关设备设计参数，用以实现LED灯具的可控寿命的设计；同时，通过将相关环境参数看成敏感参数，可观测不同环境参数对于LED灯具寿命的影响，以加强易受影响的设备参数的设计，减少相关环境参数对于LED寿命的影响。
该方法包括以下步骤：
S1、首先设定LED灯具中所有的失效点，失效点指的是导致失效故障的因素，它包含元器件或者设备装置(LED芯片、供电电路、散热装置)、应力(环境数据)、失效模型的集合，是对可能出现的失效故障的各种部件的一种表述。针对LED灯具设备，其失效点主要包括：LED芯片(PN结)，供电电路，散热设备等。
S2、设置与失效点相关的参数，包括器件参数、环境参数(温度，湿度等)、设计目标等。
S3、选择合适的失效模型，对失效点进行分析，相关模型包括：Arrhenius模型，电迁移模型，栅介质层击穿效应(TDDB)等；同一个失效点可以使用不同的失效模型进行寿命估计。
若缺少某一失效模型所需的相关参数，则这一失效模型不进行计算。
S4、对于每个可计算的模型给出各个模型计算寿命的结果，综合各个模型得出设计的LED灯具寿命。
S5、依次分析多个失效点，如果设计的LED灯具寿命值满足要求，则完成相关LED灯具的设计；
否则，再重复步骤S2-S4，直到计算的LED寿命值满足设定的期望寿命。
以设计寿命达到100000小时的LED灯具作为例子：
以失效物理对LED灯具进行分析，LED灯具的主要组成结构包括：电源电路、LED芯片。这两者其中一个元器件失效都会影响LED灯具的寿命，所以LED灯具寿命分析的失效点就是电源电路、LED芯片。
所以需要收集电源电路、LED芯片的相关参数，如退化系数、激活能、结温、初始光通量和T温度工作了t的光通量等。
针对各模型的公式，还需要收集电源电路、LED芯片和散热装置的环境参数，如工作电流、工作电压、温度等。
将集成电路、分立器件和阻容器件的相关失效模型公式作为失效模型库(共23个失效模型公式)，在进行LED灯具的寿命预计时，使用失效模型库的相应失效模型进行计算。其中电源电路的失效模式包括：Die metallizationelectromigration、TDDB_EMODEL；LED芯片的失效模式包括：发光二极管失效、二极管失效。另外对应的元器件失效模型公式包含的参数没有收集(即缺少计算的参数)，那么就不会对该失效模型进行计算。
Die metallizationelectromigration模型公式：
其中，W_MET_DIE是金属宽度，TH_MET_DIE是金属厚度，DC_MET是当前金属层的材料的密度，MET_ACTIVATION_ENERGY是表面活化能，K是波尔兹曼常数，K＝8.617e-5，TOP_DEV是操作温度。
TDDB_EMODEL模型公式：
其中，OX_EM_COEF是常数1，OX_EM_FIELD_AF是常数4.5e-8，VO_DIE是操作电压，THOE_DIE是DIE有效氧化物厚度，OX_EM_AE是常数1.4，K是波尔兹曼常数，K＝8.617e-5，TOP_DEV是操作温度。
发光二极管失效模型公式：
其中，IOP_DEV是操作电流，FEA_LBD_BETA是退化系数，BD_PAE是激活能，FEA_LBD_T是结温，FEA_LBD_PO是初始光通量，K是波尔兹曼常数，K＝8.617e-5，FEA_LBD_PT是T温度工作了t的光通量。
二极管失效模型公式：
其中，FEA_DIODE_A是二极管指前因子，ENV_HIGHTEMP_TEMP是退化系数，BD_PAE是激活能，FEA_DIODE_IRONE是二极管的后来的反向漏电流，FEA_DIODE_IRO是二极管的促使反向漏电流，K是波尔兹曼常数K＝8.617e-5。
例如：对失效点LED芯片进行寿命预计时，通过发光二极管失效模型计算得到LED芯片的预计寿命为108000小时，通过二极管失效模型计算得到LED芯片的预计寿命为120000小时。那么LED芯片的寿命是满足要求的(大于100000小时)，此LED芯片的设计是合理的，不需要改良设计。如果通过发光二极管失效模型或者二极管失效模型计算得到LED芯片的预计寿命小于100000小时，那么该LED芯片的设计是不合理的，需要通过改良设计或者调整环境参数的方式，使LED芯片的预计寿命是满足要求的。
如果发光二极管失效计算得到LED芯片的预计寿命小于100000小时，那么可以改良LED芯片的设计，从而调整LED芯片的相关参数(退化系数、激活能、结温、初始光通量和T温度工作了t的光通量)和环境参数(工作电流)，再通过发光二极管失效模型重新预计计算LED芯片的寿命，直到LED芯片的寿命是满足要求的(大于100000小时)。
同一个失效点的其他失效模型也一样，如预计计算得出的寿命小于100000小时，就需要改良相关设计，从而调整相关参数。也就是说一个失效点可以使用多个失效模型对其进行寿命预计，当任一模型预计寿命的值不满足要求就可以按照该模型公式，再改良该元器件的设计，调整相关参数从而使所有模型的预计寿命达到预期要求。
对失效点电源电路的进行寿命预计时，也是通过Diemetallizationelectromigration模型和TDDB_EMODEL模型计算出电源电路的寿命，与100000小时进行比较，如果存在低于100000小时的寿命，再根据对应的模型公式，修改相关参数，然后改良电源电路的设计使对应的参数达到修改的值，如增加金属宽度，使Diemetallizationelectromigration模型得到的预计寿命增加)。通过对每个失效点使用与其相对应合适的失效模型进行寿命预计，结合可能使用的环境因素，可以更全面有效地对LED灯具的寿命进行预计。
该方法使企业能够摆脱目前普遍采用的试错法(Trial-and-error)带来的开发周期长、成本高，可靠性和寿命不可控等瓶颈，实现首试即成(FirstTime Right)的目标。综合考虑LED灯具的结构，环境条件，结合常见的失效模型，实现对于设计的LED灯具寿命准确评估功能。由于LED灯具寿命与各部件的质量成本直接相关，因此对于目标LED对象的寿命设计，选取合适的部件，可以实现满足目标寿命的成本最小化，降低LED灯具可控寿命的成本。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种LED灯具可控寿命的设计系统，其特征在于，包括基础数据管理模块、失效机理管理模块和模拟仿真建模模块；
基础数据管理模块包括描述外界应力的应力库、记录原材料的材料库和包含各种电子元器件的芯片库；用户能够在此模块完成对基础信息包括：应力信息、材料信息和芯片信息的录入、编辑和管理；
失效机理管理模块包括失效模型库、常数集和参数集，失效模型库包括失效模式的相关信息、失效模式模型公式描述和引用文献，常数集包括失效模式模型公式中出现的常量，参数集包括失效模式模型公式中使用的参数变量；
模拟仿真建模模块包括器件分析模块、板级电路分析模块、模组对象管理模块和LED灯具仿真模块；器件分析模块使用系统中的基础数据包括部件、原材料、应力，根据实际需要描述器件的信息，构造出需要的器件系统；板级电路分析模块可设置板级电路的相关信息完成板级电路的设计；模组对象管理模块把属于该模组的板级电路关联起来，维护LED灯具的各模组结构包括：灯壳模块、光源模块、导热胶、散热器和电源模块；LED灯具仿真模块实现灯具信息维护、全寿命管理和寿命预计与分析的功能；
系统通过失效模式匹配，分析出给定的板级电路、器件所包含的失效点以及可计算的有效失效点；对于可计算的失效点通过综合对比给出其失效的时间，对比期望的寿命值，给出是否满足寿命期望的预计，达到寿命预计的效果。
2.根据权利要求1所述的LED灯具可控寿命的设计系统，其特征在于，失效模型库中，失效模式包括电迁移、绝缘体击穿、电解寿命、热疲劳。
3.根据权利要求1所述的LED灯具可控寿命的设计系统，其特征在于，失效模型库中，对于失效模式中的失效公式，系统提供了相关的检测和校验功能，包括：失效公式中参数到基本属性的映射，基本属性包括来自原材料、部件以及应力的基础信息，对于没有映射的参数，将提醒用户进行参数映射；对于公式的计算结果验证，用户可以通过对各个参数进行赋值，以进行计算，确认计算的结果，及时发现除零、计算结果越界溢出的异常情况。
4.根据权利要求1所述的LED灯具可控寿命的设计系统，其特征在于，板级电路分析模块在板级电路建模的过程中，首先要确认板级电路的相关信息，包括：形状设置；印制板参数，包括使用的焊接材料、电镀材料信息；层管理，包括印制板中包括的层数、每层的绝缘材料以及电导材料；隔层管理，描述隔层的大小、所在层；通孔管理，包括通孔的位置、关联的组件；组件管理，在板级电路上添加基本的部件。
5.根据权利要求4所述的LED灯具可控寿命的设计系统，其特征在于，针对板级电路建模，系统提供了图形化的设计方式，用户可以通过拖拽的方式调整印制板的大小、添加隔层、添加通孔以及添加组件；直观地展现设计的效果，同时系统还提供了放大缩小以及正反面切换视图操作。
6.一种基于权利要求1的系统的LED灯具可控寿命的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设定LED灯具中所有的失效点，失效点指的是导致失效故障的因素；
S2、设置与失效点相关的参数，包括器件参数、环境参数、设计目标；
S3、选择合适的失效模型，对失效点进行分析；
S4、对于每个模型给出各个模型计算寿命的结果，综合各个模型得出设计的LED灯具寿命；
S5、依次分析多个失效点，如果设计的LED灯具寿命值满足要求，则完成相关LED灯具的设计；
否则，再重复步骤S2-S4，直到计算的LED寿命值满足设定的期望寿命。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，针对LED灯具设备，其失效点包括：LED芯片，电源电路，散热设备。
8.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，收集相关失效模型公式建立失效模型库，在进行LED灯具的寿命预计时，使用失效模型库的相应失效模型进行计算。
9.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，对同一个失效点可以使用不同的失效模型进行寿命估计。
10.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，若缺少某一失效模型所需的相关参数，则这一失效模型不进行计算。
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