LED照明產(chǎn)品光通量衰減加速試驗(yàn)及可靠性評(píng)估

錢　誠(chéng)，樊嘉杰，樊學(xué)軍，袁長(zhǎng)安，張國(guó)旗，5

(1.半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中科院半導(dǎo)體研究所，北京　100083；2.常州市武進(jìn)區(qū)半導(dǎo)體照明應(yīng)用技術(shù)研究院，江蘇 常州　213161；3. 河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州　213022；4.拉瑪爾大學(xué)機(jī)械工程系，博蒙特，美國(guó)；5.代爾夫特理工大學(xué)EEMCS學(xué)院，代爾夫特，荷蘭)

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LED照明產(chǎn)品光通量衰減加速試驗(yàn)及可靠性評(píng)估

錢誠(chéng)1，2，樊嘉杰2，3，樊學(xué)軍2，4，袁長(zhǎng)安2，張國(guó)旗1，2，5

(1.半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中科院半導(dǎo)體研究所，北京100083；2.常州市武進(jìn)區(qū)半導(dǎo)體照明應(yīng)用技術(shù)研究院，江蘇 常州213161；3. 河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州213022；4.拉瑪爾大學(xué)機(jī)械工程系，博蒙特，美國(guó)；5.代爾夫特理工大學(xué)EEMCS學(xué)院，代爾夫特，荷蘭)

由于LED照明產(chǎn)品壽命較長(zhǎng)，傳統(tǒng)可靠性測(cè)試需要較高的成本和較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，這極大地限制了LED照明產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣。因此，本文以LED光通量e指數(shù)衰減模型和Arrhenius加速模型為理論基礎(chǔ)，提出一種適用于LED照明產(chǎn)品光通量衰減的加速試驗(yàn)方法。該方法用于評(píng)估LED照明產(chǎn)品可靠性時(shí)不需要被測(cè)產(chǎn)品所用光源的LM-80數(shù)據(jù)和基板焊點(diǎn)溫度。模擬和實(shí)測(cè)試驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果表明該方法可將LED可靠性測(cè)試通常要求的6000h測(cè)試時(shí)間縮短為2000h，并且可靠性評(píng)估結(jié)果和美國(guó)“能源之星”的評(píng)判結(jié)果基本一致。

LED照明產(chǎn)品；光通量衰減；加速實(shí)驗(yàn)；可靠性評(píng)估

引言

與傳統(tǒng)的照明產(chǎn)品(如白熾燈和熒光燈等)相比，LED具有高能效、環(huán)境友好和長(zhǎng)壽命等方面的優(yōu)勢(shì)。因此，LED照明產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率越來(lái)越高[1-2]。預(yù)計(jì)到2020年全球LED照明產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率預(yù)期將達(dá)到60%～75%以上[3]。對(duì)于LED照明產(chǎn)品，功能和可靠性將是消費(fèi)者的兩大關(guān)注點(diǎn)。

光通量衰減失效是LED照明產(chǎn)品的一種重要失效模式[4-8]，因此，現(xiàn)有的可靠性測(cè)試或評(píng)估方法主要針對(duì)光通量衰減失效模式而提出。由于LED高可靠性和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，這些傳統(tǒng)的方法規(guī)定對(duì)LED照明產(chǎn)品的測(cè)試時(shí)間要不低于6000h[9-11]，其中包括：美國(guó)環(huán)境保護(hù)署提出“能源之星”(Energy Star)的判定方法[12]、國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的PAS62612標(biāo)準(zhǔn)[13]和北美照明協(xié)會(huì)(IESNA)發(fā)布的TM-21技術(shù)備忘錄[14]。2014年IESNA推出了針對(duì)LED燈具可靠性測(cè)試的技術(shù)備忘錄TM-28[15]，在參考了所用LED光源6000h以上的LM-80可靠性測(cè)量數(shù)據(jù)和基板焊點(diǎn)溫度前提下，仍要求燈具至少測(cè)試3000h。同樣，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(CQC)也規(guī)定LED照明產(chǎn)品可靠性測(cè)試時(shí)間至少為6000h[16-18]。如此長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間已經(jīng)接近甚至超過了普通LED照明產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期，因此嚴(yán)重影響了LED企業(yè)新產(chǎn)品向市場(chǎng)推廣的速度。

本文提出了一種針對(duì)LED照明產(chǎn)品光通量衰減失效的加速試驗(yàn)方法。該方法以e指數(shù)衰減模型和Arrhenius溫度加速模型為理論基礎(chǔ)，利用已有LM-80試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算模型參數(shù)并建立光通量衰減臨界曲線，之后通過溫度加速將LED照明產(chǎn)品的可靠性測(cè)試時(shí)間從6000h縮短為2000h(其中包括500h的預(yù)處理時(shí)間)。此外，使用該方法評(píng)估LED照明產(chǎn)品光通量衰減時(shí)，不需要提供光源的LM-80測(cè)試數(shù)據(jù)和基板焊點(diǎn)溫度等信息。

1　理論模型

在本節(jié)中，首先定義用于評(píng)價(jià)LED照明產(chǎn)品光通量衰減的臨界曲線，再利用二階段模型建立室溫環(huán)境溫度(即25℃)下和加速試驗(yàn)環(huán)境溫度下LED照明產(chǎn)品光通量衰減臨界曲線之間的關(guān)系。

1.1光通量衰減臨界曲線定義

絕大多數(shù)LED照明產(chǎn)品在其工作時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定程度的光學(xué)性能衰減現(xiàn)象。假設(shè)存在一條表征LED照明產(chǎn)品性能衰減的光通量衰減臨界曲線，如圖1所示。當(dāng)被測(cè)LED照明產(chǎn)品的光通量衰減曲線落于光通量衰減臨界曲線下方時(shí)，則認(rèn)為該樣品的光學(xué)性能未達(dá)到該條件下的可靠性評(píng)估要求，反之則滿足要求[19]。

圖1　LED照明產(chǎn)品的光通量衰減臨界曲線Fig.1　Illustration of the boundary curve

IESNA TM-21工作組系統(tǒng)地總結(jié)了LED照明產(chǎn)品所使用光源的光通量衰減數(shù)學(xué)模型，包括線性、e指數(shù)、對(duì)數(shù)等9種。其中，簡(jiǎn)單e指數(shù)模型見公式(1)，對(duì)實(shí)測(cè)光通量數(shù)據(jù)的擬合度最高[14]。

Φ(t)=βe-αt

(1)

其中，Ф(t)為歸一化的光通量維持率；α為光通量維持率的衰減因子；β為擬合常數(shù)，理論上等于1.0。廣義來(lái)說，公式(1)不僅可以用來(lái)描述光源的光衰，也可以推廣至LED照明產(chǎn)品[15]。在室溫環(huán)境溫度下, LED照明產(chǎn)品通常需要滿足流明維持壽命L70(即燃點(diǎn)后LED照明產(chǎn)品光通量維持率降至初始值70%所需要的時(shí)間)大于25000h的設(shè)計(jì)要求。以此由公式(1)可推算燃點(diǎn)6000h后的光通維持率為91.8%[12]。

理論上，每一個(gè)環(huán)境溫度下都對(duì)應(yīng)存在一條光通量衰減臨界曲線，如公式(1)所示。其中衰減因子隨溫度的變化符合Arrhenius方程[15-21]，如公式(2)所示。

(2)

其中Ea為激活能，A為指前因子；k為玻爾茲曼常數(shù)；Ts為基板的焊點(diǎn)溫度。根據(jù)公式(2)，α和Ts具有相同的變化趨勢(shì)，即Ts越高，光源的光通量維持率隨e指數(shù)衰減的速率也越大。因此，提高焊點(diǎn)溫度，可以加速光源的光通量衰減，從而縮短測(cè)試時(shí)間。聯(lián)合公式(1)和(2)可以計(jì)算出相應(yīng)的加速因子AF。

(3)

其中Ts1與Ts2、α1與α2以及t1與t2分別為室溫環(huán)境溫度下和加速試驗(yàn)環(huán)境溫度下的焊點(diǎn)溫度、LED光源的衰減因子和測(cè)試時(shí)間。

1.2二階段模型

本節(jié)通過計(jì)算加速衰減試驗(yàn)溫度下的光通量衰減臨界曲線，獲得加速試驗(yàn)方法需要的負(fù)載時(shí)間，具體的過程分為兩個(gè)互相獨(dú)立的階段。如圖3所示，先按e指數(shù)方程計(jì)算到達(dá)光通量維持率閾值(如95%)所需的時(shí)間，然后進(jìn)行溫度加速(即①→②路徑)。或者先進(jìn)行溫度加速再按e指數(shù)方程縮短測(cè)試時(shí)間(即③→④路徑)。這兩種過程得到的最終加速試驗(yàn)時(shí)間相同。

本文以①→②路徑計(jì)算加速測(cè)試所需時(shí)間。由于LED照明產(chǎn)品壽命較長(zhǎng)，在完整的L70壽命范圍內(nèi)對(duì)LED照明產(chǎn)品進(jìn)行光通量衰減試驗(yàn)是不切實(shí)際的。例如，對(duì)于額定壽命L70為25000h的LED照明產(chǎn)品，美國(guó)“能源之星”采用的方法是將測(cè)試時(shí)間減少至6000h，并要求6000h測(cè)試的LED照明產(chǎn)品的光通量維持率不低于91.8%[22]。隨著光通量測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試精度不斷增加，可以通過提高光通量維持率臨界值來(lái)縮減測(cè)試時(shí)間。因此，本文將光通量維持率臨界值由91.8%提高至95%，根據(jù)e指數(shù)衰減模型(即公式(1))推算測(cè)試時(shí)間由6000h縮減至約3594h。

圖2　基于二階段模型的加速試驗(yàn)方法示意圖Fig.2　Illustration of the two-stage process

1.3模型參數(shù)確定

1.3.1Ts1和Ts2的選取

本文分析了來(lái)自公開文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)的30組輸入電流介于0.08A～1A的LED光源樣本的LM-80測(cè)試數(shù)據(jù)[23-27]。在這30組LM-80測(cè)試數(shù)據(jù)中，有24組數(shù)據(jù)的最高Ts溫度不超過105℃。由此推斷常溫條件下LED照明產(chǎn)品光源的Ts溫度一般不應(yīng)超過105℃。因此，我們將光通量衰減臨界曲線的Ts1參數(shù)選為105℃。

只有父母認(rèn)為是障礙，它才會(huì)成為障礙，因?yàn)槟愕臏贤ǚ绞?、言語(yǔ)會(huì)把它真正地演變?yōu)橐粋€(gè)大障礙。家長(zhǎng)擔(dān)心、害怕孩子犯錯(cuò)誤，其實(shí)是被自己的想象嚇到了。

圖3為Ts=105℃時(shí)的LED光源光通量測(cè)試數(shù)據(jù)，紅色實(shí)線為該溫度下本文定義的光通量衰減臨界曲線。從圖中可知，光通量衰減臨界曲線覆蓋了大多數(shù)LED照明產(chǎn)品光源的光通量衰減測(cè)試數(shù)據(jù)。由此可見，假設(shè)實(shí)際工作的焊點(diǎn)溫度為105℃時(shí)，大多數(shù)LED照明產(chǎn)品光源可以滿足6000h內(nèi)光通量維持率不低于91.8%的規(guī)定。因此，圖3也確定了Ts1=105℃選取的合理性。

圖3　Ts=105℃時(shí)LED照明產(chǎn)品光源的光通量測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.3　Luminous flux measures of LED packages operated at the Ts of 105℃

為了避免在加速環(huán)境下引起新的失效模式，本文選定55℃(高于室溫30℃)作為L(zhǎng)ED照明產(chǎn)品的加速試驗(yàn)環(huán)境溫度。假設(shè)LED照明產(chǎn)品光源模組的焊點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度的差值不變，可以推算出55℃加速環(huán)境溫度下的焊點(diǎn)Ts2溫度為135℃(Ts1+30℃)。

1.3.2Ea的選取

參照IESNA TM-21方法，將公式(3)改寫為公式(4)，計(jì)算LED光源的激活能Ea。

(4)

其中，Ts1和Ts2為L(zhǎng)M-80測(cè)試指定的測(cè)試溫度，α1和α2為對(duì)應(yīng)的衰減因子。由公式(4)可見，Ea決定了LED光源的光通量衰減對(duì)溫度的敏感程度。隨著溫度的升高，具有較大Ea的光源其光通量衰減顯著變大。

本文利用Ts為55℃和85℃時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出了整體LM-80測(cè)試數(shù)據(jù)樣本的Ea參數(shù)，并采用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行正態(tài)分布擬合。擬合結(jié)果如圖4所示，本文選取臨界曲線的Ea參數(shù)參照?qǐng)D4中所有樣品的Ea參數(shù)上限。由此，取正態(tài)分布擬合曲線的0.95分位數(shù)為臨界光源的Ea參數(shù)，即0.396eV。

圖4　由LM-80測(cè)試報(bào)告擬合出的光源樣品的Ea分布Fig.4　Distribution of the Ea parameters

1.4加速試驗(yàn)時(shí)間的計(jì)算

首先，將1.3小節(jié)中得到的光通量衰減臨界曲線的參數(shù)代入公式(3)，計(jì)算得到55℃下臨界光通量衰減曲線的加速因子AF約為2.44。由此推算測(cè)試時(shí)間可由3594h縮減至1471h。為了方便檢測(cè)人員累積負(fù)載時(shí)間，本文得到的測(cè)試時(shí)間取整為1500h作為加速衰減試驗(yàn)的負(fù)載時(shí)間。

通常被測(cè)樣品在進(jìn)行加速衰減試驗(yàn)之前需要經(jīng)過一定時(shí)間的預(yù)處理達(dá)到性能穩(wěn)定。目前常用的預(yù)處理方法是在室溫環(huán)境溫度下燃點(diǎn)1000h。由臨界光通量衰減曲線的加速因子可以推算出在規(guī)定加速溫度(即55℃)下的預(yù)處理時(shí)間約為410h。為了完整地進(jìn)行對(duì)被測(cè)樣品的預(yù)處理，本文將在規(guī)定加速溫度下的預(yù)處理時(shí)間增加至500h。

最后，考慮到光通量測(cè)量值的波動(dòng)性，本文還規(guī)定測(cè)量時(shí)間分別達(dá)到負(fù)載時(shí)間60%和80%時(shí)(即900h和1200h)測(cè)量LED照明產(chǎn)品的光通量。因此，如表1所示，本文規(guī)定只有當(dāng)樣品在所有3個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)量的光通量維持率均超過95%時(shí)方可繼續(xù)試驗(yàn)，否則判定該樣品為未達(dá)到合格判定樣品。

表1　加速測(cè)試時(shí)間計(jì)算和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

注：樣品在經(jīng)過了500h預(yù)處理之后從零開始計(jì)算測(cè)試時(shí)間。

2　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果及討論

2.1LED光源模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖5　LED光源模組模擬驗(yàn)證結(jié)果Fig.5　Simulated validation results of LED modules

2.2LED燈具產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1CALiPER測(cè)試

自2013年起，美國(guó)能源部發(fā)起的CALiPER項(xiàng)目包含了對(duì)15款LED照明產(chǎn)品(A Lamps)進(jìn)行的45℃環(huán)境溫度下的加速測(cè)試[28-29]。每款產(chǎn)品測(cè)試10個(gè)樣品，每個(gè)樣品不間斷老化7660h。樣品在老化過程中，每周采用特殊的測(cè)量設(shè)備原位測(cè)量一次光通量維持率。所有被測(cè)LED照明產(chǎn)品均具有25000h以上的聲稱壽命。本節(jié)文分別采用“能源之星”性能規(guī)范和本文提出的加速試驗(yàn)方法對(duì)以上產(chǎn)品的光通量衰減性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在采用加速試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，由于測(cè)試的環(huán)境溫度為45℃，我們需要重新計(jì)算加速試驗(yàn)所需的測(cè)試時(shí)間。根據(jù)上述討論，45℃環(huán)境溫度下對(duì)應(yīng)的Ts2=125℃，因此由公式(3)可以得知該環(huán)境溫度下的加速因子AF約為1.8，并可進(jìn)一步計(jì)算出測(cè)試時(shí)間約為2000h。同時(shí)，參考本文提出的加速試驗(yàn)方法，我們首先將被測(cè)產(chǎn)品的前500h視為預(yù)處理時(shí)間，并采用500h的測(cè)試數(shù)據(jù)初始化光通量維持率。之后通過比較1200h、1600h和2000h的光通量維持率與95%臨界值進(jìn)行對(duì)比，來(lái)評(píng)價(jià)被測(cè)產(chǎn)品的光通量衰減性能。

圖6中(a)和(b)分別表示用“能源之星”性能規(guī)范和加速衰減試驗(yàn)方法評(píng)估被測(cè)樣品的光通量衰減性能。其中黑色實(shí)線則代表了光通量維持率臨界值。根據(jù)“能源之星”性能規(guī)范要求，被測(cè)產(chǎn)品通過合格判定的要求為6000h老化后光通量維持率大于91.8%。由圖6(a)所示，被測(cè)產(chǎn)品中13RT-03、13RT-09、13RT-11、13RT-13、13RT-14和13RT-58未通過合格判定。同樣地，根據(jù)本文提出的加速衰減試驗(yàn)方法規(guī)定被測(cè)產(chǎn)品通過合格判定的要求為1200h、1600h和2000h老化后的光通量維持率全部大于95%。由圖6(b)所示，被測(cè)產(chǎn)品中13RT-03、13RT-09、13RT-11、13RT-13和13RT-58未通過合格判定。

綜上所述，除13RT-14外，本文提出的加速試驗(yàn)方法對(duì)以上被測(cè)LED照明產(chǎn)品的評(píng)價(jià)結(jié)果和“能源之星”性能規(guī)范得到的評(píng)價(jià)結(jié)果是一致的。通過對(duì)被測(cè)產(chǎn)品13RT-14進(jìn)一步研究，本文發(fā)現(xiàn)6000h老化后該產(chǎn)品各樣品的光通量維持率測(cè)量值較為分散。受少數(shù)測(cè)量值偏差的影響，該產(chǎn)品的光通量維持率平均值偏小，因此未通過能源之星性能規(guī)范的合格判定?？梢灶A(yù)見，適當(dāng)增加該產(chǎn)品的樣本量有可能使該樣品6000h老化后的光通量維持率測(cè)量平均值大于91.8%，從而通過“能源之星”性能規(guī)范的合格判定。

圖6　CALiPER項(xiàng)目中LED照明產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果Fig.6　Luminous flux maintenances of the LED A Lamps in CALiPER

2.2.2LED照明產(chǎn)品測(cè)試

為了驗(yàn)證所提模型的準(zhǔn)確性，本文還選擇了6款具有代表性的LED射燈、球泡燈和筒燈進(jìn)行燈具級(jí)別的驗(yàn)證測(cè)試。圖7(a)為被測(cè)LED照明產(chǎn)品在25℃環(huán)境溫度下老化6000h后的光通量維持率測(cè)量平均值。而圖7(b)顯示了同樣的LED照明產(chǎn)品在55℃環(huán)境溫度下經(jīng)過了500h預(yù)處理后，分別在900h、1200h和1500h時(shí)的光通量維持率測(cè)量平均值。其中黑色實(shí)線代表光通量維持率臨界值。

由圖7(a)可知，產(chǎn)品2和3在6000h試驗(yàn)后的光通量維持率均小于91.8%，同時(shí)如圖7(b)顯示，在加速環(huán)境下產(chǎn)品2和 3在1200h試驗(yàn)后其光通量維持率已經(jīng)明顯小于95%。由此可見，對(duì)于以上6款被測(cè)LED照明產(chǎn)品來(lái)說，由本文提出的加速衰減試驗(yàn)方法得到的評(píng)估結(jié)果和“能源之星”性能規(guī)范的評(píng)判結(jié)果是一致的。

圖7　LED照明產(chǎn)品的光通量維持率測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.7　Luminous flux maintenances of the indoor LED luminaires

3　結(jié)論

本文提出了一種55℃環(huán)境溫度下的加速光通量衰減加速試驗(yàn)方法用以評(píng)估LED照明產(chǎn)品的可靠性。該方法以e指數(shù)衰減模型和Arrhenius溫度加速模型為理論基礎(chǔ)，通過采用55℃環(huán)境溫度下的光通量衰減臨界曲線評(píng)估LED照明產(chǎn)品光通量衰減的可靠性。與常用的美國(guó)“能源之星”評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)相比，該方法將LED行業(yè)規(guī)定的6000h測(cè)量時(shí)間縮短為2000h(其中包括500h預(yù)處理時(shí)間)。由美國(guó)能源部CALiPER項(xiàng)目報(bào)告中的測(cè)試數(shù)據(jù)以及6款具有代表性的LED室內(nèi)燈具的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，本文提出的加速試驗(yàn)方法和美國(guó)“能源之星”給出的評(píng)估結(jié)果基本一致。此外，本文提出的加速試驗(yàn)方法在使用過程中不需要使用LED光源的LM-80測(cè)試數(shù)據(jù)和基板焊點(diǎn)溫度，可以為L(zhǎng)ED生產(chǎn)者提供一種快速、簡(jiǎn)易、有效的可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

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Accelerated Luminous Flux Depreciation Test and Reliability Assessment for LED Lighting Products

QIAN Cheng1,2，F(xiàn)AN Jiajie2,3， FAN Xuejun2,4， YUAN Changan2，ZHANG Guoqi1,2,5

(1.StateKeyLaboratoryofSolidStateLighting,InstituteofSemiconductorsChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China;2.ChangzhouInstituteofTechnologyResearchforSolidStateLighting,Changzhou213161,China; 3.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Changzhou213022,China; 4.DepartmentofMechanicalEngineering,LamarUniversity,Beaumont,USA; 5.DelftUniversityofTechnology,EEMCSFaculty,Delft,theNetherlands)

By current reliability testing methods, the claim of such long lifetime operation requires an expensive and long period qualification test which restricts the development of LED industries. In this paper, based on an exponential-form degradation model with Arrhenius acceleration assumption, we develop an accelerated luminous flux depreciation test method. This proposed method reduces the test time from 6000 hours to 2000 hours, without the assistance of LM-80 test report of the LED sources nor the solder temperature. A number of numerical simulation and validation experiments on various LED lighting products show that the qualification results obtained by the proposed method agree well with those given by the Energy Star requirements.

LED lighting products; luminous flux depreciation; accelerated test; reliability assessment

項(xiàng)目資助：中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(2015M570133)、常州市科技計(jì)劃項(xiàng)目應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃(CJ20159053)，國(guó)家國(guó)際合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2015DFG52110)

TB114.3

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.010