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加速可靠性试验中 LED寿命的快速评估

大功率LED具有效率高、寿命长、环保和体积紧凑等优点,在背光灯、路灯、景观照明、汽车大灯等领域得到了广泛的应用,被誉为取代传统光源的新一代绿色光源[1-3]。在这些优点中,值得一提的是,LED的理论寿命可以达到50000 h图1.1设备链接方法.但是,由于受生产厂家的技术、生产工艺、使用的材料不同等各种因素的影响,各厂的大功率LED产品的寿命不尽相同。生产商在推出新的产品时,往往会公布一系列产品参数,其中包括产品寿命。目前国内的厂家公布的LED产品寿命数据大多还是50000 h的理论寿命,缺乏实际的预测。

由于LED产品的寿命较长,采用传统的方法测定其使用寿命需耗费大量的时间和精力,一般采用高加速可靠性实验来对LED产品的寿命进行测试推断

3实验结果与分析

。目前的加速测试大多数采用的是离线方法,即在测试样品初始参数后将样品置于实验环境下,一段时间后拿出来测量相应的参数,随后再放回到实验环境,如此反复得到一系列离散的数据点。这种方法的特点在于,为了减小测试时取出LED样品对实验条件的影响,通常两次测量的间隔时间很长,导致整个测试周期很长。换言之,离线测试方法在短期内获得的实验数据很少。因此,如何快速评估加速可靠性实验中LED的寿命成为了人们关注的热点。

本文通过采用一种在线测试的方法,实时地采集高温加速实验条件下LED模块的出光数据,在较短的时间内获得大量的实验数据。在这些数据的基础上,对高温加速可靠性实验中LED的寿命进行了推断评估。

1在线测试方法

传统的高加速实验之所以采用离线的测试方法,是因为测试设备不能够耐住严苛的实验条件,如高温、高低温循环、热冲击等。对于大功率LED而言,高加速老化实验中所关心的参数主要是出光的相对衰减。因此,通过将LED的出光传导出来,可以在室温条件下对出光数据进行实时监测和采集,达到在线测试的目的。

本文采用的在线测试方法的原理如图1所示。通过特制的耐高温光缆将LED模块发出的光传导出来,在室温下利用照度计进行实时监测,并将出光数据存储到电脑上。利用手工设计的夹具保证了 LED模块、光缆入口和出口以及照度计探头的同轴性,并利用内壁开有小孔的手工设计的盒子来保证,在不影响盒子内外环境一致的情况下,尽可能地减少外界光对实验数据的影Ⅱ向。

通过在不同注入电流条件下的在线测试结果与积分球测试结果的比较,验证了在线测试结果的相对变化可以如实地反映实际出光的相对变化。在 0~360 mA之间选取13个数值作为注入电流,依次测得在相应注入电流下,分别利用在线测试设备和积分球采集相应光参数,所得结果如图2所示。由图2可知,当电流为350 mA时,在线测试采集的光照度为1385.22 lx,积分球采集的总光通量为15.39 Im,二者的关系可以用下式表示

计算公式

其中,FV为总光通量,Ev为在线测试的光照度,Fv' 为相对光通量,S为探头的面积,K是常数,K= 1.11%。计算在330lnA下的最大偏差,可知相对误差为1.4%,标准差为0.93%。由此可见,在线测试的光照度和总光通量之间的线性拟合关系很好,可以很好地反映实际出光的相对变化。

测试结果的比较

2实验过程

本次实验的设备为在线测试设备,包括稳流电源、夹具、恒温箱、特指光缆、照度计、电脑以及若干导线,实验样品为l W蓝光LED模块。参照图 1.1连接实验设备,将实验温度设定在1250C恒温,注入电流设定为350 mnA,电脑软件设定为每隔30 s 采集一次实验数据,采集时间设为500h。

图1.1设备链接方法

3实验结果与分析

在经过400 h后,对在线测试采集到的实验数据进行了分析。由图3可知,利用在线测试的方法可以采集到的数据样本非常大,在1250C的实验条件下经过424 h的老化,LED模块的相对出光衰减了约90%,采样数据的误差主要来源于照度计探头的不稳定性。

图3LED模块相对出光的时间的变化

由 TM-21标准图3LED模块相对出光的时间的变化可知,温度对LED寿命的影响可以用指数衰减的模型进行推断,即

计算公式

其中,t是实验时间,φ(t)是相对出光,B是初始常数,α是衰减率。对于如LED的半导体器件而言,退火的影响会导致其在开始阶段的出光发生波动,不能真实反应温度对样品的实际影响。因此,舍弃掉开始阶段的数据,利用12~424 h的数据对LED模块的寿命衰减进行推断。如图4所示,推断结果显示,B= 0.98926,α=1.74404x10-4,LED样品推断的中位寿命(相对出光衰减到一半所需的时间)为 Lso=3912 h,相关度r2= 0.95354。

定义快速测试方法与常规离线测试方法相比的加速程度为,推断出的样品中位寿命与推断所用数据的测试时间的比值,即

计算公式

对于本实验,加速程度A= 9.2。由此可知,采用这种方法可以大幅缩短高温加速实验的时间,达到快速评估高温加速实验中LED寿命的目的。

中位寿命原理推断图

4结 论

本文提出了一种在线测试的方法,开展了不同电流下的对比试验对其可行性进行了验证,并利用此方法对高温加速可靠性实验中LED的寿命进行了推断。结果表明,与传统的离线测试方法相比,采用在线测试方法对高加速可靠性实验中LED寿命进行推断,可以有效地减少实验时间,达到快速评估高温加速可靠性试验中LED寿命的目的。