LED控制裝置可靠性的溫度影響因子研究

王　深，賀致遠(yuǎn)，徐華偉，劉群興，趙浩之

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州　510610)

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LED控制裝置可靠性的溫度影響因子研究

王深，賀致遠(yuǎn)，徐華偉，劉群興，趙浩之

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州510610)

本文介紹了LED控制裝置的元器件類(lèi)型和失效率預(yù)計(jì)模型，根據(jù)LED控制裝置在實(shí)際應(yīng)用中的故障模式和關(guān)鍵元器件，結(jié)合可靠性試驗(yàn)和失效率預(yù)計(jì)思路，研究溫度因子對(duì)元器件失效率的影響。

LED控制裝置；可靠性模型；故障模式；可靠性預(yù)計(jì)；溫度因子；潛在缺陷

引言

根據(jù)LED照明產(chǎn)品的應(yīng)用調(diào)研，其故障或失效的統(tǒng)計(jì)基本上遵循帕累托定律，即80%的失效集中在20%的故障模式。而這關(guān)鍵的少數(shù)，則是照明產(chǎn)品中的LED控制裝置。

LED光源芯片技術(shù)相比于半導(dǎo)體照明發(fā)展早期有了十分明顯的進(jìn)步，芯片載流子密度和高結(jié)溫特性有了很大的提高，光源的光衰難題已經(jīng)得到了明顯的改善，甚至在連續(xù)工作20 000 h的光通維持率也不低于于90%。因此燈或燈具的“系統(tǒng)”壽命長(zhǎng)短則主要取決于“木桶短板”LED控制裝置。

對(duì)于LED控制裝置而言，其電路板線路也是由若干類(lèi)型電子元器件組成，包括集成電路芯片、MOS管、晶閘管、電解電容、電阻、電感等。不同類(lèi)型元器件，其基本失效率也存在較大的差異。而多數(shù)LED控制裝置的失效，也主要集中在關(guān)鍵的少數(shù)幾類(lèi)電子器件，如IC、MOS管、電解電容等。

因此，解決關(guān)鍵的少數(shù)幾類(lèi)電子器件的可靠性問(wèn)題，將對(duì)LED控制裝置的質(zhì)量可靠性，具有非常重要的意義，也是十分行之有效的方法。

1　LED控制裝置的組成元器件

LED控制裝置的關(guān)鍵元器件主要包括：

1)電容類(lèi)器件，包括電解電容，瓷介電容，碳膜電容等；

2)半導(dǎo)體分立器件，包括二極管，三極管，晶體管，場(chǎng)效應(yīng)管等；

3)集成電路，如電源IC，調(diào)光IC；

4)貼片元件，如貼片電阻，貼片電容等；

5)其他元器件，如電感，變壓器，保險(xiǎn)絲，防雷器件等。

每類(lèi)元器件的工作失效率取決于其基本失效率，以及生產(chǎn)質(zhì)量特性和應(yīng)用條件。器件類(lèi)型不同，基本失效率會(huì)有很大的差異，甚至高達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在電路板設(shè)計(jì)和制造時(shí)，對(duì)基本失效率較高的元器件類(lèi)型，應(yīng)有根據(jù)應(yīng)用條件進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以盡可能降低其工作失效率，例如針對(duì)性的散熱設(shè)計(jì)，電應(yīng)力冗余。

溫度應(yīng)力和電應(yīng)力是導(dǎo)致LED控制裝置較早出現(xiàn)失效的主要因素。

當(dāng)電路設(shè)計(jì)、選購(gòu)的元器件類(lèi)型和制造商等確定時(shí)，特定產(chǎn)品的電應(yīng)力系數(shù)基本上明確，不會(huì)隨著使用環(huán)境、電氣配件的變化而波動(dòng)。而溫度卻不同，使用的散熱結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱材料、應(yīng)用環(huán)境的變化都可能造成元器件的殼溫不同，進(jìn)而影響器件的工作失效率。不同元器件類(lèi)型對(duì)溫度的敏感性也有差異，有些元器件的失效率受溫度影響較小，如碳膜電阻；而有些元器件受溫度影響則十分明顯，如電解電容。

2　可靠性預(yù)計(jì)模型

不同類(lèi)型元器件的產(chǎn)品特性就決定了其基本失效率，而實(shí)際的工作失效率則與具體器件的參數(shù)和應(yīng)用環(huán)境有關(guān)。以元器件的工作失效率為基礎(chǔ)，結(jié)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的失效率進(jìn)行預(yù)計(jì)。系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)模型一般包括串聯(lián)模型和并聯(lián)模型，但無(wú)論使用哪個(gè)預(yù)計(jì)模型，其都與元器件的失效率呈正相關(guān)性。

不同方法體系對(duì)失效率預(yù)計(jì)的描述或系數(shù)數(shù)據(jù)可能會(huì)存在差異，但失效率預(yù)計(jì)模型都大同小異。例如，在GJB 299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》中，光電子器件的工作失效率預(yù)計(jì)模型見(jiàn)式(1)：

λP=λbπEπQπTπC

(1)

其中，λP為工作失效率，10-6/h；λb為基本失效率，10-6/h，λb取值為0.0104；πE為環(huán)境系數(shù)，見(jiàn)表1；πQ為質(zhì)量系數(shù)，根據(jù)不同質(zhì)量水平認(rèn)證等級(jí)；πT為溫度系數(shù)，見(jiàn)表3；πC為種類(lèi)系數(shù)，見(jiàn)表4。

表1　環(huán)境系數(shù)

表2　質(zhì)量等級(jí)和質(zhì)量系數(shù)πQ

表3　溫度應(yīng)力系數(shù)πT

*T為工作環(huán)境溫度。

表4　種類(lèi)系數(shù)πC

注：數(shù)碼管應(yīng)按內(nèi)含芯片數(shù)計(jì)算其失效率，表內(nèi)系指單個(gè)芯片的數(shù)據(jù)。

其余關(guān)鍵元器件的失效率預(yù)計(jì)模型如表5所示。

表5　關(guān)鍵元器件工作失效率預(yù)計(jì)模型

3　溫度因子對(duì)LED控制裝置關(guān)鍵元器件失效率的影響

3.1元器件失效率的對(duì)比

大多數(shù)元器件工作失效率模型和基本失效率，溫度都是較為重要的影響因子。而不同類(lèi)型的元器件，在環(huán)境溫度變化時(shí)，失效率的變化曲線也存在較大的差異。例如碳膜電阻在溫度升高時(shí)，基本失效率的變化并不明顯；而對(duì)電解電容，溫度上升10 ℃，元器件的失效率則可能升高2倍。

對(duì)于同樣的LED控制裝置，隨著其應(yīng)用環(huán)境和工作條件的不同，電路板上的元器件工作環(huán)境溫度，即LED控制裝置腔體內(nèi)的空間溫度也會(huì)有較大的差異，此時(shí)LED控制裝置上的某類(lèi)元器件的失效率會(huì)出現(xiàn)陡增的趨勢(shì)，這部分元器件很大概率上會(huì)成為該電路板的第一失效點(diǎn)。

常見(jiàn)元器件及基本失效率(數(shù)量級(jí)為約值)統(tǒng)計(jì)如表6所示。

對(duì)表6中的元器件基本失效率數(shù)量級(jí)作對(duì)比圖，如圖1所示。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，基本失效率較高的元器件主要在以下幾類(lèi)：①晶閘管；②整流管；③肖特基二極管；④場(chǎng)效應(yīng)管；⑤IC；⑥鋁電解電容等。

上述這幾類(lèi)高失效率元器件基本上與外場(chǎng)故障樣品和可靠性強(qiáng)化應(yīng)力試驗(yàn)中失效樣品的故障元器件類(lèi)型吻合。但需要注意的是，并非基本失效率高的元器件一定先出現(xiàn)失效，可以通過(guò)加強(qiáng)制造工藝水平以及冗余、散熱等設(shè)計(jì)，降低工作失效率，提供元器件的可靠性。LED控制裝置可靠性的影響因子有多種，如電應(yīng)力、開(kāi)關(guān)通斷應(yīng)力、濕度、溫度、振動(dòng)等，但影響最大的是溫度。

表6　50 ℃時(shí)的元器件基本失效率量級(jí)

注：表6數(shù)據(jù)選取電應(yīng)力為0.5，環(huán)境溫度為50 ℃的失效率量級(jí)。

圖1　元器件基本失效率對(duì)比圖Fig.1　Collation map of basic failure rate

圖2　元器件基本失效率對(duì)比圖(除整流管和閘流管外)Fig.2　Collation map of basic failure rate(except for rectifier and thyristor)

3.2溫度對(duì)LED控制裝置關(guān)鍵元器件失效率的影響試驗(yàn)

為了研究溫度對(duì)關(guān)鍵元器件失效率的影響，項(xiàng)目組進(jìn)行一組試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下：

將筒燈LED控制裝置1款，帶額定負(fù)載在環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)工作。試驗(yàn)箱溫度：25 ℃，35 ℃，45 ℃，55 ℃，65 ℃，75 ℃，85 ℃；同時(shí)監(jiān)測(cè)電源腔溫度以及關(guān)鍵元器件的殼體溫度，并轉(zhuǎn)化為失效率相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，如溫度系數(shù)或基本失效率。

圖3　試驗(yàn)樣品和試驗(yàn)過(guò)程示意圖Fig.3　Test sample and testing procedure diagram

將表7中關(guān)鍵元器件失效率隨溫度變化的趨勢(shì)作圖，如圖4～圖7所示。

圖4　IC的溫度系數(shù)隨環(huán)境溫度變化趨勢(shì)Fig.4　Temperature factor trend of IC with Ta change

圖5　鋁電解電容的失效率隨環(huán)境溫度變化趨勢(shì)Fig.5　Failure rate trend of Aluminum electrolytic capacitor with Ta change

試驗(yàn)箱溫度25℃35℃45℃55℃65℃75℃85℃電源腔溫度/℃394429508610697772853IC殼溫/℃502530600700788855926溫度系數(shù)πT048053078130197260371鋁電解電容殼溫/℃467485558662749812887基本失效率(10-6/h)01818020100265204344068441037517051MOS管殼溫/℃422464541640725798873基本失效率(10-6/h)0055005900710093012501640217晶閘管殼溫/℃5786116877888799501025溫度系數(shù)πT080088114415562028246306

圖6　MOS管的失效率隨環(huán)境溫度變化趨勢(shì)Fig.6　Failure rate trend of MOS components with Ta change

圖7　晶閘管的溫度系數(shù)隨環(huán)境溫度變化趨勢(shì)Fig.7　Temperature factor trend of thyristor with Ta change

從圖4～圖7可見(jiàn)，相比于其他類(lèi)型元器件，鋁電解電容的失效率對(duì)溫度更加敏感，隨著溫度的升高，其失效率會(huì)出現(xiàn)陡增的趨勢(shì)。對(duì)于鋁電解電容和此類(lèi)溫度敏感器件，則需要在可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，充分模擬各類(lèi)可靠性應(yīng)力條件下器件表面可能出現(xiàn)的極限溫度，識(shí)別高故障率點(diǎn)并進(jìn)行針對(duì)性的散熱設(shè)計(jì)改進(jìn)。

4　結(jié)束語(yǔ)

在電子產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)，溫度是影響產(chǎn)品可靠性和壽命的重要因子。在產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)或熱設(shè)計(jì)時(shí)，往往只考慮額定應(yīng)用條件，從而不能在早期識(shí)別可能存在高失效率風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。LED控制裝置的應(yīng)用條件根據(jù)實(shí)際需求，環(huán)境溫度、負(fù)載條件等會(huì)存在較大的差異，這些差異會(huì)進(jìn)一步反饋于電路板上元器件的電應(yīng)力和溫度，因此初始設(shè)計(jì)時(shí)較為均勻的熱分布可能會(huì)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇嬖诰植枯^高溫度，使該局部位置的元器件工作失效率迅速提高而失效。

基本失效率參數(shù)是器件的特有屬性，無(wú)法通過(guò)后期產(chǎn)品設(shè)計(jì)改變其特征值，但可以通過(guò)電路設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)使器件具備足夠冗余，達(dá)到盡可能降低器件工作失效率的目的。而分析LED控制裝置電路板上元器件的失效率隨溫度的變化趨勢(shì)，可以是識(shí)別產(chǎn)品潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)以及指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)的有效手段。

[1] 張?jiān)稣? 電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2007.

[2] PATRICK D.T.O’Connor. 實(shí)用可靠性工程(第四版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3] 電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)：GJB 299C—2006.

Temperature Factor Research for LED Controlgear Reliability

WANG Shen, HE Zhiyuan，XU Huawei，LIU Qunxing，ZHAO Haozhi

(The Fifth Research Institute of MIIT, P. R. China, Guangzhou510610, China)

This article introduces the component types and failure prediction modes of LED controlgear, and analysis the thermal effect of critical components failure rate, through reliability test and failure prediction method.

LED controlgear; reliability model; failure model; reliability prediction; temperature factor; potential defect

徐華偉，E-mail:xhw@ceprei.biz

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)：2015AA03A101，國(guó)家自然科學(xué)基金：U1201254，廣東省重大科技專(zhuān)項(xiàng)：2014B010122005，2014B010122001，2015B010114002，2015B010133001,2016B010113004

TM923

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.024