基于加速退化试验的真空荧光显示器寿命快速预测

宗 雨, 张建平

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

真空荧光显示器(Vacuum Fluorescent Display,VFD)是从真空电子管发展而来的显示器件[1],以发光亮度高、显示多色容易、可靠性高和寿命长等优点而被广泛应用于汽车、办公自动化设备及家用电器等各种领域[2]。寿命是评价产品质量和可靠性的最主要指标之一,因此如何在较短的时间内准确得到VFD寿命信息是目前研究的热点。

近年来,许多研究学者通过开展加速退化试验[3],获取产品在加速退化过程中性能随时间的变化量,进而在产品未完全加速至失效的情形下来预测寿命。相比于加速寿命试验和常规寿命试验,加速退化试验弥补了加速寿命试验在无失效试验数据处理方面的缺陷,改善了常规寿命试验耗时长的问题,并能给出满意的评估结果。目前,通过建立加速退化模型进行试验分析已应用到各个领域的失效分析中。OH W等人[4]基于加速退化试验建立了光伏组件的潜在退化模型;钱敏华等人[5]找到了输出光通量与寿命之间的关系式,建立了基于LED光-电-热-寿命理论的寿命预测模型;ZHANG J P等人[6]利用对数正态分布描述了VFD的寿命分布,并引入阿仑尼乌斯模型估算参数。

综上所述,现有的寿命预测模型大都借助于常规寿命试验或多组加速寿命试验,数据处理过程费时费力,预测效率有待提高。因此,本文基于一组加速退化试验采集的亮度衰减数据,建立了寿命快速预测模型,从而使得高效、精确地估算VFD常规寿命成为可能。

1 寿命预测模型

1.1 三参数威布尔亮度衰减函数

假设在加速应力Ta下,第k(k=1,2,3,…,n)个试验样品在j(j=0,1,2,3,…,N)时刻tj的亮度记为Dk(tj),则该时刻n个试验样品的平均亮度D(tj)为

(1)

由式(1)可得每组应力下试验样品的平均亮度衰减数据(tj,D(tj))。

由于威布尔函数对光电产品的亮度特性具有很好的描述性能,本文采用三参数威布尔函数拟合一组加速温度应力下VFD的亮度衰减数据,其函数式为[7]

(2)

式中:m,η——形状参数和尺度参数;

t0——位置参数。

令F(t)=1-D(t)/D0,则式(2)可变为

(3)

式中:D0——产品初始时刻所测得的亮度;

D(t)——产品在t时刻的亮度。

1.2 右逼近参数估计法

由于右逼近法在估算函数参数时具有较高的拟合精度,因此本文选取右逼近方法估计三参数威布尔亮度衰减函数式(3)中的3个参数。

1.3 寿命计算公式

真空荧光显示器在加速应力Ta下的加速寿命μa与常规寿命μ0之间存在一个数值关系,即

μ0=τμa

(4)

式中:τ——加速应力Ta相对于正常温度应力T0的寿命加速系数。

寿命加速系数的公式可写为[8]

(5)

式中:β——待估加速参数,估计值为30 940.94[6]。

因此,根据式(4)和式(5),利用产品在加速应力下的寿命直接推出常规应力下的寿命,即为

(6)

1.4 寿命预测流程

(1) 利用三参数威布尔函数描述由一组加速退化试验采集的VFD亮度衰减数据,并结合右逼近法估算函数的参数,得到加速亮度衰减公式;

(2) 利用加速亮度衰减公式计算出加速应力下的失效时间,即该应力下的加速寿命;

(3) 利用加速寿命与常规寿命间的函数关系式,得到产品的常规寿命。

2 VFD加速退化试验

2.1 试验样品及数量

按照国家标准GB2689.1—1981,本文选取型号为25-1217FN(B)的VFD产品作为试验样品,样品数为20个,即n=20。

2.2 加速应力及失效标准

阴极灯丝温度作为影响VFD寿命的主要因素,被选为加速退化试验的加速应力。VFD 正常工作时的灯丝温度为923.15 K,保持失效机理不变的最高灯丝温度不超过1 123.15 K。因此,本文选取加速应力为Ta=1 055.56 K的温度水平,开展加速退化试验,该型号VFD灯丝正常工作温度为T0=923.95 K。

VFD的亮度从初始值降到50%的时间称为VFD的寿命。目前VFD行业认同亮度作为其寿命特征,当测试位亮度低于最低亮度标准(350 cd/m2)的60%,即210 cd/m2时产品失效。搭建的VFD加速退化试验台如图1所示。

图1 VFD加速退化试验台照片

2.3 亮度衰减试验数据

根据式(1)计算得出该加速应力下VFD试验样品的平均亮度随时间的衰减试验数据(tj,D(tj)),如表1所示。

表1 加速应力下VFD试验样品随时间的衰减数据

3 数据处理

3.1 加速寿命的外推

利用三参数威布尔亮度衰减函数式(3),对表1中加速应力下VFD试验样品的平均亮度随时间的衰减数据进行拟合。其拟合曲线如图2所示。

图2 加速应力下的试验数据点与对应的拟合曲线

结合右逼近法求得三参数威布尔函数中的形状参数m=0.647 7,尺度参数η=222.335 2,位置参数t0=0.002 3,则加速应力Ta=1 055.56 K下的亮度衰减公式可写为

D(t)=

(7)

由图2可以看出,VFD平均亮度试验数据随着时间的增加呈非线性衰减的趋势,符合光电产品亮度衰减特征。拟合数据点大致落在三参数威布尔函数的曲线上,表明依据本文设计的试验方案所测试的亮度数据能充分反映VFD亮度衰减特性规律。该方案切实可行。

将VFD的失效亮度Df=210 cd/m2代入式(7),可得Ta应力下的失效时间t=620.5 h。该失效时间即为Ta的加速寿命μa=620.5 h。

3.2 常规寿命的预估

基于上述结果,将常规应力T0=923.95 K,加速应力Ta=1 055.56 K代入VFD加速寿命与常规寿命之间的关系式(6),便可完成VFD寿命的快速预测,得到的常规寿命为μ0=40 370.6 h。

3.3 寿命的对比

VFD用户反馈的实际使用寿命约为40 000 h,与本文建立的寿命预测模型预测出的VFD寿命相符。为了进一步验证本模型的精度,将参考值μ1=41 686.5 h[9]与本文的预测结果μ0=40 370.6 h进行对比,误差仅为3.2%。由此证明了该模型具有很高的预测精度。

4 结 论

基于一组加速应力下的VFD亮度衰减数据,提出了一种寿命快速预测模型,实现了短时间内准确地预测VFD的常规寿命,得到结论如下。

(1) 三参数威布尔亮度衰减函数很好地描述了亮度随时间变化的规律,得到的加速亮度衰减公式可精准地计算出加速寿命。

(2) 将估算出的寿命分别与实际使用寿命和参考值进行对比,得到的相对误差均较小,表明该模型的预测精度高。

(3) 仅借助于一组加速应力的亮度衰减数据便可直接计算出常规应力下的VFD寿命,预测周期短、效率高,为现代光电产品寿命快速预测提供了一种新方法。