LED可靠性试验与寿命分析模型研究

杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日杭州电子科技大学硕士学位论文LED可靠性试验与寿命分析模型研究研究生：杨辉指导教师：薛凌云教授2012年12月DissertationSubmittedtoHangzhouDianziUniversityfortheDegreeofMasterStudyonLEDReliabilityTestandLifeAnalysisModelCandidate:YangHuiSupervisor:Prof.XueLingyunDecember,2012杭州电子科技大学硕士学位论文I摘要近年来，发光二极管（LightEmittingDiode,LED）的颜色种类、光效和功率都发生了极大的变化，并在信息化显示、半导体绿色照明等领域得到了广泛的应用，且LED的生产量和市场需求量保持着快速的增长。然而，LED器件以其应用产品的可靠性问题，尚缺乏有效的定量评估方法，包括工作寿命、平均无故障时间以及失效概率等可靠性基本问题。目前获取与LED相关的可靠性信息，主要是引用电子器件的可靠性试验、分析评估方法。然而LED是非线性的结型功率器件，其电学、光学、热学特性与传统电光源、PN结型电子器件有着较大差异和特殊性。因而，LED的可靠性问题受到了国内外研究者的极大关注。LED作为高可靠性、长寿命器件，研究者通常采用加速寿命试验的方法获取其寿命信息。现有的LED加速寿命试验方法主要有恒定和步进应力加速试验方法，其存在着试验周期长、效率低、成本高等问题。针对此问题，本文提出了一种步降应力加速寿命试验方法，以满足目前LED产业快速发展的需求。另外，鉴于LED性能参数与LED寿命之间没有精确的数学函数予以描述，提出了采用模糊分析方法，建立LED性能参数与LED寿命的关系模型，实现LED寿命的快速估算，并利用经典数理统计分析方法获取样品的寿命信息。论文主要工作内容包括：(1)LED加速寿命试验研究通过分析LED步进应力加速试验的累积失效模型，提出了步降应力加速试验方法，以达到缩短现有LED加速寿命试验的试验时间、降低试验成本的目的。并从理论分析的角度，证明了步降应力加速试验能在步进应力加速试验的基础上进一步提高试验效率。通过分析LED的失效机理，选择电流作为加速应力，分别开展了恒定、步进和步降应力电流加速寿命试验获取小功率白光LED的失效信息。为减少抽样评估的风险，在选取试验样本时，采用分区随机抽样的方法，确保抽样样本具有较好的代表性。同时，利用步进应力工作寿命试验方法预估试验样本所能承受的昀高应力水平，确保LED在高应力水平下的失效机理与正常应力水平的失效机理相同。在试验条件以及各应力水平下样品失效数目相同的前提下，通过对比步进与步降应力试验的试验总时间，验证了步降应力试验能够在步进应力试验的基础上进一步提高试验效率。(2)LED寿命分布的统计分析为获取LED产品的寿命信息，假定LED寿命服从Weibull分布和对数正态分布以及LED寿命与加速电流符合逆幂律定理等前提下，利用数理统计分析方法实现对恒定应力加速试验样本的寿命评估，建立LED寿命与加速应力的关系模型。考虑到在步进和步降应力试验中，试验样品的失效除初始应力水平外，都是多个应力水平共同作用的结果。利用Nelson原理以及逆幂律定理从步进和步降应力试验中的失效数据中分离出每个加速应力条件下样品的失效杭州电子科技大学硕士学位论文II时间，并获取试验样本在各个加速应力电流下的寿命信息。本文以KS检验、相关系数、残余标准差作为显著性指标，对试验数据的处理结果进行了显著性检验，验证了假设条件的成立。在确定逆幂律定理中的待定参数n后，为达到在较短时间内快速估算LED寿命的目的。选择一个较高的电流应力水平对LED进行恒定加速寿命试验，根据此电流应力水平下的平均寿命和中位寿命，利用逆幂律定理，通过寿命外推得到试验样品在正常应力电流下的平均寿命和中位寿命。（3）LED寿命模糊分析模型鉴于LED性能参数与LED寿命之间没有精确的数学模型予以描述，本文提出采用模糊分析方法，建立LED性能参数与LED寿命的关系模型。通过监测LED性能参数随老化时间的退化数据，并分析LED性能参数与LED寿命之间的关系。以LED的理想因子、光通量衰减常数及LED在加速应力下的失效时间作为样本数据，从中提取出模糊规则，采用模糊推理方法估算新输入样本LED的寿命，利用经典数理统计分析方法获取试验样品的寿命信息。关键词：LED，加速寿命试验，步降应力加速试验，寿命分析，模糊规则杭州电子科技大学硕士学位论文IIIABSTRACTInrecentyears,manypropertiesofLEDsuchasthecolorsort,theluminousefficiencyandthepowerwerechangedgreatly.LEDwaswidelyusedinfieldsofinformationvisualizationandsemiconductorgreenlighting,itsyieldsandmarketdemandkeepsongrowingrapidly.However,effectiveevaluationmethodsonthereliabilityproblemofLEDdevices,applicationproductsandequipmentsarestilllacked,includingsomeprimaryissues:Life,MeanTimebetweenFailures(MBTF)andFailureProbability.Atpresentstage,thereliabilityinformationrelatedtotheLEDperformance,mainlyobtainedwasreferencedtotheReliabilityTestandtheEvaluationMethodofelectronicdevices.Infact,LED,asanonlinearjunctionpowerdevice,hasitsownparticularityinelectric,thermologyandopticalproperties,shownmuchmoredifferencecomparedtotraditionalelectriclightsourceandPNjunctionelectronicdevice.NowadaystheLEDReliabilityevokedgreatattentionfromacademiccircles.ExistingLEDlifetestmethodspossessseveraldrawbackssuchaslongtestcycleandlowefficiency,thispaperproposedonestep-downstressacceleratedlifetestprogramtosolvetheseproblemsforacquiringtheLEDlifeinformationquicklyandmeetingthedemandsoftherapiddevelopmentoftheLEDindustry.Furthermore,thereisnoprecisemathematicalfunctiontodescribetherelationshipofLEDcharacteristicparametersanditslifetime.Inviewofthis,thispaperpresentedonefuzzymodelmethod,whichusedthecharacteristicparametersofLEDanditslifespanastheinputandoutputparametersofthefuzzymodelrespectively.Thefuzzyruleswereextractedfrommodelingdatas,andusingthefuzzyinferencemethodtoestimatetheLEDslifetime.ThenthefeaturesofLEDlifedistributionwereobtainedbyusingstatisticalanalysis.Theresultsshowsthat:Thestepdownstressacceleratedlifetest(SDS-ALT)canfurtherimprovethetestefficiencythenstepupstressacceleratedlifetest(SUS-ALT);TheLEDlifecanbecharacterizedbyWeibulldistributionandthelognormaldistribution;Theacceleratedlifemodelmeetsinversepowerlawfunction;UsingtheidealityfactorandluminousfluxdecayconstantofLEDastheinputfeatureandLEDlifeastheoutputcharacteristicoffuzzymodeltoextractthefuzzyrules,theLEDlifedistributionwasobtainedbyadoptingthefuzzyinferenceandregressionstatisticalmethods.Theconcretecontentsareasfollows:(1)LEDacceleratedlifetestInordertoshortenthetimeofLEDacceleratedlifetest(ALT)andreducetestcosts,thispaperproposedonestepdownstressALTtoassesstheLEDlifequickly.ThetheoreticalanalysisresultproofedthattheSDS-ALTcanfurtherimprovethetestefficiencythanSUS-ALT.Becausethe杭州电子科技大学硕士学位论文IVcurrentstressisoneofthemainfactorswhichwillaffecttheperformanceoftheLED,thispaperemploytheconstantcurrentstressALT,stepupcurrentstressALTandstepdowncurrentstressALTtoobtainthefailuretimeoflowpowerwhiteLED.Inordertoreducetheriskofevalutionofsamplingtest,thepartitionrandomsamplingmethodwasusedandthesamplehasgoodrepresenta