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1 前言
LED 显示屏具有高亮度、安装灵活、高效低耗等优点, 使得它在显示面积较为灵活视距较远等领域的应用相当广泛。目前, 中国有近千家LED 显示屏厂商, 但具有一定生产规模的不足百家。在当今激烈的市场竞争中, 用户对产品质量的要求越来越高。
产品的性价比在决定高技术产品是否能占据大的市场份额时就成了最重要的因素之一。目前, 消费者在选择产品时已越来越重视产品的性价比, 即产品的使用价值是否与产品本身的销售价值相当。当然产品的使用价值取决于许多因素, 如产品的技术指标、产品所提供的功能、市场的领先性、当然还包括产品的寿命等。
对于产品而言, 其寿命可分为经济寿命、技术寿命、使用寿命和平均寿命。产品的经济寿命( 又称价值寿命) , 是根据产品的使用费( 包括维持费和折旧费) 来确定的寿命, 通常是指在最低年平均使用成本的基础上, 产品的使用期限; 经济寿命用于确定产品的最佳折旧年限和最佳更新时机; 技术寿命是产品在技术上有存在价值的期限, 即从产品开始使用, 至被技术上更为先进的新型设备所替代的全部经历期, 技术寿命的长短决定于设备无形磨损的速度, 事实上, 目前LED 显示屏的技术寿命一般只有3 年;使用寿命是指产品从投入使用到完全失效的时间。LED 显示屏作为集LED 显示技术、视觉原理、计算机技术、视频技术、电子技术于一体的集成系统, 又可以分割成相互独立的部分, 而其中每一部分均具有可替换性, 因此在实际使用中, LED 显示屏的使用寿命相当长, 有的甚至可达数十年之久。平均寿命( 又称平均无故障工作时间或MTBF) 是指两次故障之间所经历的时间, 是一种统计平均值, MTBF 值的确定, 通常采用理论统计法和经验统计法, 理论统计法是根据器件、组件及约束条件的实际情况, 累计平均得到的数据。经验统计法是根据工厂或实验室破坏性记录, 累计平均得到的数据。不管用何种方法产品的可靠性的变化都是有规律的。以失效率为例, 其随时间的变化曲线像一只浴盆, 这就是通常所说的"浴盆曲线", 如图1 所示。从浴盆曲线可以看出, 产品的寿命期可分为三个阶段: 早期寿命期; 使用寿命期; 损耗寿命期。
图1 产品失效的“浴盆曲线”
上图所示为著名的" 浴盆" 曲线, 左边斜线部分为早期故障率, 其故障率一般较高且随着时间推移很快下降。曲线中部为使用寿命期, 其故障率一般很低且基本固定。最右部为耗损期, 失效率急速升高。电子产品制造商一般通过测试、老化、筛选等手段将早期故障尽量剔除, 然后提供给客户使用。当使用寿命期将尽, 产品也即将进入故障高发期, 需要报废或更新换代了。
2 环境因素对产品寿命的影响
2.1 温度对产品寿命的影响
众所周知, 任何产品在使用寿命期内并且只有在合适工作条件下的故障率才很低, 而LED 显示屏作为集成的电子产品, 它主要由装连有电子元器件的控制板、开关电源、发光器件等组成, 而所有这些的寿命都与工作温度有密切的关系。如果实际工作温度超过了产品规定的使用范围, 不仅寿命会缩短,而且产品本身也会受到严重的损坏。
仅以电容器为例, 不考虑纹波、频率、ESR 等因素, 电容器的估计寿命可用下述公式表示:
其中, L0 表示最高工作温度下的寿命, Tmax 表示最高工作温度, Ta 表示实际环境温度。由此可见, 如果环境温度每升高10℃, 电容器寿命将下降一倍。
图2 电容器寿命和环境温度的关系
由上图右面的曲线可明显看出, 随着电容器工作环境温度的上升, 其有效寿命急剧缩短。其中有效寿命是指该种电容器达到给定故障率的时间。而对于电子元器件, 它的失效率更受到温度的影响, 通过计算当温度每升高10℃, 它的失效率增加100 倍, 即平均寿命下降10 倍。因此如何使产品在合适的温度下工作对产品寿命是至关重要的。目前, 最常用的手段为采用各种散热方法并保持显示屏内外通风。
2.2 灰尘对产品寿命的影响
为最大限度地延长LED 显示屏的平均寿命, 灰尘的威胁也不容忽视。在灰尘比较大的环境中工作,由于印制板吸附灰尘, 而灰尘的沉积会影响电子元器件的热量散发, 这将导致元件温度上升, 进而出现热稳定性下降甚至产生漏电, 严重时导致烧毁。另外,灰尘也会吸收水分, 腐蚀电子线路, 造成短路故障。灰尘体积虽小, 但对产品的危害却不可低估。所以, 有必要定期清理, 以减少出现故障的概率。在清理显示屏内部的灰尘时, 切记断开电源, 小心操作。
2.3 潮湿对产品寿命的影响
虽然几乎所有的LED 显示屏都可以在湿度为95%的环境下正常工作, 但潮湿仍是影响产品寿命的重要因素。潮湿气体会透过封装材料及元器件的接合面进入到IC 器件的内部, 造成内部电路氧化腐蚀断路, 以及组焊接过程中的高温会使进入IC 内部的潮湿气体受热膨胀产生压力, 使塑料从芯片或引脚框上的内部分离(脱层)、线捆接损伤、芯片损伤、内部裂纹和延伸到元件表面的裂纹, 甚至发生元件鼓胀和爆裂, 又称" 爆米花", 这将导致组装件返修甚至报废。更为重要的是那些看不见的、潜在的缺陷会融入到产品中去, 使产品的可靠性出现问题。潮湿环境的可靠性改进方法包括有使用防潮材料、除湿机、保护涂层/ 封盖等。
2.4 具有腐蚀性的气体对产品寿命的影响
湿度和含盐空气环境可引起系统性能的退化, 因为它们会加剧金属部件的腐蚀效应, 还有利原电池的产生, 特别是当不同类金属接触的时候。湿汽和含盐空气的另一个有害效应是在非金属部件表面形成导致这些材料的绝缘和介质特性退化的膜, 从而形成泄漏通路。绝缘材料吸收潮气还可引起材料体积传导率和耗散系数的增加。潮湿和含盐空气环境的可靠性改进方法包括使用气密性密封、防潮材料、除湿机、保护涂层/ 封盖和减少使用不同类的金属等。
2.5 电磁辐射对产品寿命的影响
射频辐射对电子系统的干扰一般来自两个途径。一个途径是辐射场的电噪声干扰直接窜入系统。实验表明, 当场强达到5V/ m 时, 系统肯定会出错, 电磁干扰足以改变CPU 程序计数器PC 的数值, 使微机错误地"跳出"正在执行程序, 特别是对小信号电路。而存贮器在场强为15V/ m 时则无法正常工作。射频辐射干扰的另一种途径是通过电源引入的。外架的输电线相当于接收天线, 把辐射干扰引入系统, 这种干扰严重时可烧毁系统本身的电源。
电磁辐射同时也会对视频和通讯信号进行干扰, 与雷达辐射频率相近的电视台受到的图像和伴音干扰最严重, 辐射干扰信号由电视天线进入, 和电视信号一起经过处理而输出形成干扰。在其它的频道上, 当辐射场强高时, 可形成直检或干扰。辐射场对电视机产生干扰而影响其可靠性, 以致于烧毁的另一个原因是辐射干扰经电源线窜入。由于输电线的再辐射作用, 使其外部空间辐射场强瞬时高达40～50V/ m, 这样窜入电源线的干扰脉冲及空间场的感应作用会使电视机中抗干扰能力薄弱的电路发生故障。通常, 降低干扰效应要求采取过滤和屏蔽措施及选用较不敏感的元器件和电路。
2.6 振动对产品寿命的影响
电子设备在正常使用和试验中经常受到环境冲击和振动。当产生的偏斜引起的机械应力超过了构件部件允许的工作应力时, 这种环境可引起部件和结构部分的物理损坏。
电子产品的自然频率是在设计过程中必须要考虑的一个重要参数, 因为如果自然频率在振动频率范围内的话有可能产生共振, 从而大大增加子系统的偏斜, 可使应力超过安全线。振动环境对电连接器可能特别严酷, 因为它可引起连接器元件之间的相对运动。这种运动和其他环境应力结合可产生磨损腐蚀。由此可产生磨损碎片, 引起接触电阻很大的变化。振动应力的可靠性改进方法包括使用坚硬材料、控制共振和减少自由运动。
2.7 负载对产品寿命的影响
不管是集成芯片还是LED 管或是开关电源, 是否在额定的负载下工作, 负载也是影响寿命的重要因素。因为任何一个元器件都有一个疲劳损伤期, 就以电源为例, 品牌电源可输出105%~135%的功率,但如长时间使电源在如此高负载下工作, 必然加速开关电源的老化, 当然开关电源不一定马上失效, 但会使它的寿命迅速降低。
综述
从上述的各种环境因素对产品可靠性指标的影响可以看出, 产品在寿命周期过程中经历的每种环境因素都要求在设计过程中加以考虑。这样才能保证有充分的环境强度结合到可靠性设计中。当然改善产品的使用环境、对产品的定期的维护保养不但可以及时排除隐患故障, 更有利于提高产品的可靠性, 延长产品的平均寿命。
下一个：LED显示屏的驱动及系统架构
| 使用环境对LED显示屏寿命的影响（共有 0 条评论） |
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