1 前言

    LED 顯示屏具有高亮度、安裝靈活、高效低耗等優點, 使得它在顯示面積較為靈活視距較遠等領域的應用相當廣泛。目前, 中國有近千家LED 顯示屏廠商, 但具有一定生產規模的不足百家。在當今激烈的市場競爭中, 用戶對產品質量的要求越來越高。

    產 品的性價比在決定高技術產品是否能占據大的市場份額時就成了最重要的因素之一。目前, 消費者在選擇產品時已越來越重視產品的性價比, 即產品的使用價值是否與產品本身的銷售價值相當。當然產品的使用價值取決于許多因素, 如產品的技術指標、產品所提供的功能、市場的領先性、當然還包括產品的壽命等。

    對于產品而言, 其壽命可分為經濟壽命、技術壽命、使用壽命和平均壽命。產品的經濟壽命( 又稱價值壽命) , 是根據產品的使用費( 包括維持費和折舊費) 來確定的壽命, 通常是指在最低年平均使用成本的基礎上, 產品的使用期限; 經濟壽命用于確定產品的*佳折舊年限和*佳更新時機; 技術壽命是產品在技術上有存在價值的期限, 即從產品開始使用, 至被技術上更為先進的新型設備所替代的全部經歷期, 技術壽命的長短決定于設備無形磨損的速度, 事實上, 目前LED 顯示屏的技術壽命一般只有3 年;使用壽命是指產品從投入使用到完全失效的時間。LED 顯示屏作為集LED 顯示技術、視覺原理、計算機技術、視頻技術、電子技術于一體的集成系統, 又可以分割成相互獨立的部分, 而其中每一部分均具有可替換性, 因此在實際使用中, LED 顯示屏的使用壽命相當長, 有的甚至可達數十年之久。平均壽命( 又稱平均無故障工作時間或MTBF) 是指兩次故障之間所經歷的時間, 是一種統計平均值, MTBF 值的確定, 通常采用理論統計法和經驗統計法, 理論統計法是根據器件、組件及約束條件的實際情況, 累計平均得到的數據。經驗統計法是根據工廠或實驗室破壞性記錄, 累計平均得到的數據。不管用何種方法產品的可靠性的變化都是有規律的。以失效率為例, 其隨時間的變化曲線像一只浴盆, 這就是通常所說的"浴盆曲線", 如圖1 所示。從浴盆曲線可以看出, 產品的壽命期可分為三個階段: 早期壽命期; 使用壽命期; 損耗壽命期。

圖1 產品失效的“浴盆曲線”

    上 圖所示為著*的" 浴盆" 曲線, 左邊斜線部分為早期故障率, 其故障率一般較高且隨著時間推移很快下降。曲線中部為使用壽命期, 其故障率一般很低且基本固定。最右部為耗損期, 失效率急速升高。電子產品制造商一般通過測試、老化、篩選等手段將早期故障盡量剔除, 然后提供給客戶使用。當使用壽命期將盡, 產品也即將進入故障高發期, 需要報廢或更新換代了。

    2 環境因素對產品壽命的影響

    2.1 溫度對產品壽命的影響

    眾 所周知, 任何產品在使用壽命期內并且只有在合適工作條件下的故障率才很低, 而LED 顯示屏作為集成的電子產品, 它主要由裝連有電子元器件的控制板、開關電源、發光器件等組成, 而所有這些的壽命都與工作溫度有密切的關系。如果實際工作溫度超過了產品規定的使用范圍, 不僅壽命會縮短,而且產品本身也會受到嚴重的損壞。

    僅以電容器為例, 不考慮紋波、頻率、ESR 等因素, 電容器的估計壽命可用下述公式表示:

    其中, L0 表示*高工作溫度下的壽命, Tmax 表示*高工作溫度, Ta 表示實際環境溫度。由此可見, 如果環境溫度每升高10℃, 電容器壽命將下降一倍。

圖2 電容器壽命和環境溫度的關系

    由 上圖右面的曲線可明顯看出, 隨著電容器工作環境溫度的上升, 其有效壽命急劇縮短。其中有效壽命是指該種電容器達到給定故障率的時間。而對于電子元器件, 它的失效率更受到溫度的影響, 通過計算當溫度每升高10℃, 它的失效率增加100 倍, 即平均壽命下降10 倍。因此如何使產品在合適的溫度下工作對產品壽命是至關重要的。目前, 最常用的手段為采用各種散熱方法并保持顯示屏內外通風。

    2.2 灰塵對產品壽命的影響

    為 最大限度地延長LED 顯示屏的平均壽命, 灰塵的威脅也不容忽視。在灰塵比較大的環境中工作,由于印制板吸附灰塵, 而灰塵的沉積會影響電子元器件的熱量散發, 這將導致元件溫度上升, 進而出現熱穩定性下降甚至產生漏電, 嚴重時導致燒毀。另外,灰塵也會吸收水分, 腐蝕電子線路, 造成短路故障?；覊m體積雖小, 但對產品的危害卻不可低估。所以, 有必要定期清理, 以減少出現故障的概率。在清理顯示屏內部的灰塵時, 切記斷開電源, 小心操作。

    2.3 潮濕對產品壽命的影響

    雖 然幾乎所有的LED 顯示屏都可以在濕度為95%的環境下正常工作, 但潮濕仍是影響產品壽命的重要因素。潮濕氣體會透過封裝材料及元器件的接合面進入到IC 器件的內部, 造成內部電路氧化腐蝕斷路, 以及組焊接過程中的高溫會使進入IC 內部的潮濕氣體受熱膨脹產生壓力, 使塑料從芯片或引腳框上的內部分離(脫層)、線捆接損傷、芯片損傷、內部裂紋和延伸到元件表面的裂紋, 甚至發生元件鼓脹和爆裂, 又稱" 爆米花", 這將導致組裝件返修甚至報廢。更為重要的是那些看不見的、潛在的缺陷會融入到產品中去, 使產品的可靠性出現問題。潮濕環境的可靠性改進方法包括有使用防潮材料、除濕機、保護涂層/ 封蓋等。

    2.4 具有腐蝕性的氣體對產品壽命的影響

    濕 度和含鹽空氣環境可引起系統性能的退化, 因為它們會加劇金屬部件的腐蝕效應, 還有利原電池的產生, 特別是當不同類金屬接觸的時候。濕汽和含鹽空氣的另一個有害效應是在非金屬部件表面形成導致這些材料的絕緣和介質特性退化的膜, 從而形成泄漏通路。絕緣材料吸收潮氣還可引起材料體積傳導率和耗散系數的增加。潮濕和含鹽空氣環境的可靠性改進方法包括使用氣密性密封、防潮材料、除濕 機、保護涂層/ 封蓋和減少使用不同類的金屬等。

    2.5 電磁輻射對產品壽命的影響

    射 頻輻射對電子系統的干擾一般來自兩個途徑。一個途徑是輻射場的電噪聲干擾直接竄入系統。實驗表明, 當場強達到5V/ m 時, 系統肯定會出錯, 電磁干擾足以改變CPU 程序計數器PC 的數值, 使微機錯誤地"跳出"正在執行程序, 特別是對小信號電路。而存貯器在場強為15V/ m 時則無法正常工作。射頻輻射干擾的另一種途徑是通過電源引入的。外架的輸電線相當于接收天線, 把輻射干擾引入系統, 這種干擾嚴重時可燒毀系統本身的電源。

    電磁輻射同時也會對視頻和通訊信號進行干擾, 與雷達輻射頻率相近的電視臺受到的圖像和伴音干擾最嚴重, 輻射干擾信號由電視天線進入, 和電視信號一起經過處理而輸出形成干擾。在其它的頻道上, 當輻射場強高時, 可形成直檢或干擾。輻射場對電視機產生干擾而影響其可靠性, 以致于燒毀的另一個原因是輻射干擾經電源線竄入。由于輸電線的再輻射作用, 使其外部空間輻射場強瞬時高達40～50V/ m, 這樣竄入電源線的干擾脈沖及空間場的感應作用會使電視機中抗干擾能力薄弱的電路發生故障。通常, 降低干擾效應要求采取過濾和屏蔽措施及選用較不敏感的元器件和電路。

    2.6 振動對產品壽命的影響

    電子設備在正常使用和試驗中經常受到環境沖擊和振動。當產生的偏斜引起的機械應力超過了構件部件允許的工作應力時, 這種環境可引起部件和結構部分的物理損壞。

    電 子產品的自然頻率是在設計過程中必須要考慮的一個重要參數, 因為如果自然頻率在振動頻率范圍內的話有可能產生共振, 從而大大增加子系統的偏斜, 可使應力超過安全線。振動環境對電連接器可能特別嚴酷, 因為它可引起連接器元件之間的相對運動。這種運動和其他環境應力結合可產生磨損腐蝕。由此可產生磨損碎片, 引起接觸電阻很大的變化。振動應力的可靠性改進方法包括使用堅硬材料、控制共振和減少自由運動。

    2.7 負載對產品壽命的影響

    不 管是集成芯片還是LED 管或是開關電源, 是否在額定的負載下工作, 負載也是影響壽命的重要因素。因為任何一個元器件都有一個疲勞損傷期, 就以電源為例, 品牌電源可輸出105%~135%的功率,但如長時間使電源在如此高負載下工作, 必然加速開關電源的老化, 當然開關電源不一定馬上失效, 但會使它的壽命迅速降低。

    綜述

    從 上述的各種環境因素對產品可靠性指標的影響可以看出, 產品在壽命周期過程中經歷的每種環境因素都要求在設計過程中加以考慮。這樣才能保證有充分的環境強度結合到可靠性設計中。當然改善產品的使用環境、對產品 的定期的維護保養不但可以及時排除隱患故障, 更有利于提高產品的可靠性, 延長產品的平均壽命。