LED控制裝置可靠性的溫度影響因子研究

王　深，賀致遠，徐華偉，劉群興，趙浩之

(工業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，徐華偉，劉群興，趙浩之

(工業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型和失效率預計模型，根據LED控制裝置在實際應用中的故障模式和關鍵元器件，結合可靠性試驗和失效率預計思路，研究溫度因子對元器件失效率的影響。

LED控制裝置；可靠性模型；故障模式；可靠性預計；溫度因子；潛在缺陷

引言

根據LED照明產品的應用調研，其故障或失效的統計基本上遵循帕累托定律，即80%的失效集中在20%的故障模式。而這關鍵的少數，則是照明產品中的LED控制裝置。

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

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

因此，解決關鍵的少數幾類電子器件的可靠性問題，將對LED控制裝置的質量可靠性，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控制裝置的關鍵元器件主要包括：

1)電容類器件，包括電解電容，瓷介電容，碳膜電容等；

2)半導體分立器件，包括二極管，三極管，晶體管，場效應管等；

3)集成電路，如電源IC，調光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，保險絲，防雷器件等。

每類元器件的工作失效率取決于其基本失效率，以及生產質量特性和應用條件。器件類型不同，基本失效率會有很大的差異，甚至高達幾個數量級。在電路板設計和制造時，對基本失效率較高的元器件類型，應有根據應用條件進行針對性的設計，以盡可能降低其工作失效率，例如針對性的散熱設計，電應力冗余。

溫度應力和電應力是導致LED控制裝置較早出現失效的主要因素。

當電路設計、選購的元器件類型和制造商等確定時，特定產品的電應力系數基本上明確，不會隨著使用環境、電氣配件的變化而波動。而溫度卻不同，使用的散熱結構、導熱材料、應用環境的變化都可能造成元器件的殼溫不同，進而影響器件的工作失效率。不同元器件類型對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　可靠性預計模型

不同類型元器件的產品特性就決定了其基本失效率，而實際的工作失效率則與具體器件的參數和應用環境有關。以元器件的工作失效率為基礎，結合拓撲結構，對系統的失效率進行預計。系統的可靠性預計模型一般包括串聯模型和并聯模型，但無論使用哪個預計模型，其都與元器件的失效率呈正相關性。

不同方法體系對失效率預計的描述或系數數據可能會存在差異，但失效率預計模型都大同小異。例如，在GJB 299C—2006《電子設備可靠性預計手冊》中，光電子器件的工作失效率預計模型見式(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為環境系數，見表1；πQ為質量系數，根據不同質量水平認證等級；πT為溫度系數，見表3；πC為種類系數，見表4。

表1　環境系數

表2　質量等級和質量系數πQ

表3　溫度應力系數πT

*T為工作環境溫度。

表4　種類系數πC

注：數碼管應按內含芯片數計算其失效率，表內系指單個芯片的數據。

其余關鍵元器件的失效率預計模型如表5所示。

表5　關鍵元器件工作失效率預計模型

3　溫度因子對LED控制裝置關鍵元器件失效率的影響

3.1元器件失效率的對比

大多數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。而不同類型的元器件，在環境溫度變化時，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，基本失效率的變化并不明顯；而對電解電容，溫度上升10 ℃，元器件的失效率則可能升高2倍。

對于同樣的LED控制裝置，隨著其應用環境和工作條件的不同，電路板上的元器件工作環境溫度，即LED控制裝置腔體內的空間溫度也會有較大的差異，此時LED控制裝置上的某類元器件的失效率會出現陡增的趨勢，這部分元器件很大概率上會成為該電路板的第一失效點。

常見元器件及基本失效率(數量級為約值)統計如表6所示。

對表6中的元器件基本失效率數量級作對比圖，如圖1所示。

由以上數據可以看出，基本失效率較高的元器件主要在以下幾類：①晶閘管；②整流管；③肖特基二極管；④場效應管；⑤IC；⑥鋁電解電容等。

上述這幾類高失效率元器件基本上與外場故障樣品和可靠性強化應力試驗中失效樣品的故障元器件類型吻合。但需要注意的是，并非基本失效率高的元器件一定先出現失效，可以通過加強制造工藝水平以及冗余、散熱等設計，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，如電應力、開關通斷應力、濕度、溫度、振動等，但影響最大的是溫度。

表6　50 ℃時的元器件基本失效率量級

注：表6數據選取電應力為0.5，環境溫度為50 ℃的失效率量級。

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

圖2　元器件基本失效率對比圖(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LED控制裝置關鍵元器件失效率的影響試驗

為了研究溫度對關鍵元器件失效率的影響，項目組進行一組試驗，試驗條件如下：

將筒燈LED控制裝置1款，帶額定負載在環境試驗箱內工作。試驗箱溫度：25 ℃，35 ℃，45 ℃，55 ℃，65 ℃，75 ℃，85 ℃；同時監測電源腔溫度以及關鍵元器件的殼體溫度，并轉化為失效率相關的關鍵參數，如溫度系數或基本失效率。

圖3　試驗樣品和試驗過程示意圖Fig.3　Test sample and testing procedure diagram

將表7中關鍵元器件失效率隨溫度變化的趨勢作圖，如圖4～圖7所示。

圖4　IC的溫度系數隨環境溫度變化趨勢Fig.4　Temperature factor trend of IC with Ta change

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

試驗箱溫度25℃35℃45℃55℃65℃75℃85℃電源腔溫度/℃394429508610697772853IC殼溫/℃502530600700788855926溫度系數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πT080088114415562028246306

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

圖7　晶閘管的溫度系數隨環境溫度變化趨勢Fig.7　Temperature factor trend of thyristor with Ta change

從圖4～圖7可見，相比于其他類型元器件，鋁電解電容的失效率對溫度更加敏感，隨著溫度的升高，其失效率會出現陡增的趨勢。對于鋁電解電容和此類溫度敏感器件，則需要在可靠性設計時，充分模擬各類可靠性應力條件下器件表面可能出現的極限溫度，識別高故障率點并進行針對性的散熱設計改進。

4　結束語

在電子產品全壽命周期內，溫度是影響產品可靠性和壽命的重要因子。在產品電路設計或熱設計時，往往只考慮額定應用條件，從而不能在早期識別可能存在高失效率風險點。LED控制裝置的應用條件根據實際需求，環境溫度、負載條件等會存在較大的差異，這些差異會進一步反饋于電路板上元器件的電應力和溫度，因此初始設計時較為均勻的熱分布可能會逐步轉變為存在局部較高溫度，使該局部位置的元器件工作失效率迅速提高而失效。

基本失效率參數是器件的特有屬性，無法通過后期產品設計改變其特征值，但可以通過電路設計、熱設計使器件具備足夠冗余，達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，可以是識別產品潛在風險點以及指導設計改進的有效手段。

[1] 張增照. 電子產品可靠性預計[M]. 北京：科學出版社，2007.

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

[3] 電子設備可靠性預計手冊：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

國家高技術研究發展計劃(863計劃)：2015AA03A101，國家自然科學基金：U1201254，廣東省重大科技專項：2014B010122005，2014B010122001，2015B010114002，2015B010133001,2016B010113004

TM923

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