Weibull分布下白光OLED恒定与步进应力加速寿命试验数据的统计分析毕业论文（含全套资料）

1、目 录摘要ABSTRACT TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326738129 第一章 绪 论 PAGEREF _Toc326738129 h 1 HYPERLINK l _Toc326738130 1.1 课题意义和背景 PAGEREF _Toc326738130 h 1 HYPERLINK l _Toc326738131 1.2 OLED简介及寿命分析 PAGEREF _Toc326738131 h 1 HYPERLINK l _Toc326738132 1.3 OLED国内外现状分析 PAGEREF _Toc326738132 h 2 HYPERLINK

2、l _Toc326738133 本课题的主要目的和研究内容 PAGEREF _Toc326738133 h 2 HYPERLINK l _Toc326738134 第二章 白光OLED简介 PAGEREF _Toc326738134 h 2 HYPERLINK l _Toc326738135 白光OLED的材料简介 PAGEREF _Toc326738135 h 2 HYPERLINK l _Toc326738136 白光OLED的原理 PAGEREF _Toc326738136 h 3 HYPERLINK l _Toc326738137 2.3 白光OLED器件结构分类 PAGEREF _T

3、oc326738137 h 3 HYPERLINK l _Toc326738138 单发光层白光OLED PAGEREF _Toc326738138 h 3 HYPERLINK l _Toc326738139 多发光层白光OLED PAGEREF _Toc326738139 h 4 HYPERLINK l _Toc326738140 叠层结构的白光OLED PAGEREF _Toc326738140 h 4 HYPERLINK l _Toc326738141 下转换白光OLED PAGEREF _Toc326738141 h 4 HYPERLINK l _Toc326738142 白光OLED

4、器件的性能指标 PAGEREF _Toc326738142 h 5 HYPERLINK l _Toc326738143 白光OLED器件的寿命 PAGEREF _Toc326738143 h 5 HYPERLINK l _Toc326738144 2.4.2 白光OLED器件的显色指数、色温 PAGEREF _Toc326738144 h 5 HYPERLINK l _Toc326738145 2.4.3 白光OLED器件的效率 PAGEREF _Toc326738145 h 5 HYPERLINK l _Toc326738146 白光OLED的应用前景 PAGEREF _Toc3267381

5、46 h 6 HYPERLINK l _Toc326738147 小结 PAGEREF _Toc326738147 h 6 HYPERLINK l _Toc326738148 第三章 可靠性与加速寿命试验简介 PAGEREF _Toc326738148 h 6 HYPERLINK l _Toc326738149 可靠性 PAGEREF _Toc326738149 h 6 HYPERLINK l _Toc326738150 可靠性的定义 PAGEREF _Toc326738150 h 6 HYPERLINK l _Toc326738151 可靠性的评价 PAGEREF _Toc326738151

6、 h 7 HYPERLINK l _Toc326738152 可靠性的意义 PAGEREF _Toc326738152 h 9 HYPERLINK l _Toc326738153 3.2 加速寿命试验 PAGEREF _Toc326738153 h 10 HYPERLINK l _Toc326738154 加速寿命试验的概念 PAGEREF _Toc326738154 h 10 HYPERLINK l _Toc326738155 3.2.2 加速寿命试验的类型 PAGEREF _Toc326738155 h 10 HYPERLINK l _Toc326738156 第四章 加速寿命试验数据的统

7、计分析及寿命估计 PAGEREF _Toc326738156 h 12 HYPERLINK l _Toc326738157 4.1 威布尔分布 PAGEREF _Toc326738157 h 12 HYPERLINK l _Toc326738158 4.2 最小二乘法 PAGEREF _Toc326738158 h 13 HYPERLINK l _Toc326738159 4.3 理论假设 PAGEREF _Toc326738159 h 14 HYPERLINK l _Toc326738160 4.4 恒定应力加速寿命试验数据的统计分析 PAGEREF _Toc326738160 h 15 H

8、YPERLINK l _Toc326738161 步进应力加速寿命试验数据的统计分析 PAGEREF _Toc326738161 h 16 HYPERLINK l _Toc326738162 试验数据 PAGEREF _Toc326738162 h 16 HYPERLINK l _Toc326738163 4.7 试验数据处理 PAGEREF _Toc326738163 h 17 HYPERLINK l _Toc326738164 4.7.1 恒定应力试验数据处理 PAGEREF _Toc326738164 h 18 HYPERLINK l _Toc326738165 4.7.2 步进应力试验

9、数据处理 PAGEREF _Toc326738165 h 18 HYPERLINK l _Toc326738166 4.7.3 加速寿命方程 PAGEREF _Toc326738166 h 18 HYPERLINK l _Toc326738167 4.7.4 加速参数的修正 PAGEREF _Toc326738167 h 18 HYPERLINK l _Toc326738168 4.8 分布拟合的检验 PAGEREF _Toc326738168 h 19 HYPERLINK l _Toc326738169 4.9 寿命估计 PAGEREF _Toc326738169 h 19 HYPERLIN

10、K l _Toc326738170 第五章 结论 PAGEREF _Toc326738170 h 20 HYPERLINK l _Toc326738171 参考文献 PAGEREF _Toc326738171 h 20 HYPERLINK l _Toc326738172 致谢 PAGEREF _Toc326738172 h 22Weibull分布下白光OLED恒定与步进应力加速寿命试验数据的统计分析摘要作为下一代平板显示器之一的OLED在近十年中有了飞速的开展。然而，OLED产品在商业化的过程中，其可靠性问题也日益受到关注。因此，迫切需要开发一种OLED加速寿命测试方法来加快产品的寿命测试进程

11、。本文利用Weibull函数来描述其寿命分布，并对已得到的数据通过最小二乘法LSM完成白光OLED恒定与步进加速寿命试验数据的统计分析，结果证明了白光OLED 的寿命服从Weibull分布以及加速寿命方程完全符合逆幂定律，同时通过精确地计算出预测寿命所用到的关键性参数，从而使其在短时间内估算出寿命成为可能。另外，通过使用MATLAB软件对数据进行处理分析，使复杂的数据统计分析变得方便简单。关键词：白光OLED；威布尔分布；最小二乘法；寿命预测 STATISTICAL ANALYSIS ON CONSTANT AND STEP STRESS ACCELERATED LIFE TEST DATA

12、OF WHITE OLED UNDER WEIBULLABSTRACTAs one of the next-generation flat panel displays, OLED has been developed rapidly in recent decades. However, more and more attention is paid to the OLED reliability issues during the commercialization process. Therefore, there is an urgent need to develop an OLED

13、 accelerated life test method to speed up the life testing process of the product. Weibull distribution function was applied to describe the life distribution, the Least Square Method (LSM) was employed to analyze the constant and step stress accelerated life test data. The numerical results show th

14、at the OLED life submits to Weibull distribution, the accelerated life equation meets completely inverse power law, and the key accelerated parameters were calculated precisely, which makes it sure that the OLED life can be estimated within shorter time. Moreover, MATLAB was used to deal with the da

15、ta, which makes the complex data statistical analysis become much more convenient and simple.Key Words：White OLED; Weibull; Least Square Method; Life prediction 第一章 绪 论1.1 课题意义和背景随着科技的进步，显示器在生活中的角色越来越注重，从过去的最简单的 、MP3到如今的iphone、平板电脑、数码相机等表达的不仅是技术的更新，更是显示器探索的结果。业界普遍认为，LCD是目前平板显示领域的主流产品，但是LCD存在以下缺点：亮度低

16、、图像逼真度和饱和度不够理想、响应速度慢、温度特性差和能源利用率低等，这就促使科学界和产业界研究出制造性能更高、本钱更低廉的显示器件。而作为下一代平板显示器之一的OLED在近十年中有了飞速的开展，由于具有轻、薄、宽视角、低功耗、响应速度快等优点，所以具有极大的竞争力和市场应用潜力。然而，OLED产品在商业化的过程中，其可靠性问题也日益受到关注，到2021年时OLED的普遍寿命至已超过了20000h平均初始亮度为150 cd/m2，但企业1开展的常规寿命试验方法不仅消耗大量时间，而且极易落后于产品更新换代的速度，这样寿命测试失去了意义。由此可见，OLED产品的寿命在不断增加地同时，如何精确预测其

17、寿命信息将成为一个技术难题。因此，迫切需要开发一种OLED加速寿命测试方法来加快产品的寿命测试进程。1.2 OLED简介及寿命分析有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)是由光刻电极基板与有机发光材料构成的显示器件，与液晶显示器(LCD)相比，OLED 具有全固态、自发光、宽视角、高清晰、高亮度、高比照度、高响应速度、超薄、低本钱、低功耗、耐低温、抗震、可实现柔性显示和双面显示等特点，被认为是理想和有潜力的下一代平板显示技术。OLED按照所采用有机发光材料的不同，可分为：小分子OLED(基于小分子有机发光材料和高分子OLED(基于共轭高分子有机发光材

18、料，简称 PLED)。按照驱动方式的不同，还分为有源矩阵驱动(AMOLED)和无源矩阵驱动(PMOLED)。OLED之所以成为平板显示的新热点，就在于其是主动发光全固态平板显示技术，且具有如下特点：1 超轻薄 工艺简单 本钱低 宽视角160度左右；2 自发光 高发光效率 高亮度 显示效果鲜艳 细腻；3 功耗低 低压驱动直流驱动电压低于10V；4 发光材料丰富响应速度快(比TFT- LCD高几个数量级，已达ns级)；5 温度范围广温度特性好(可在零下二十度正常工作)；6 主动发光全固态抗震能力强可实现柔软显示等。OLED发光材料按照发光激子的种类可分为荧光材料和磷光材料两种。目前，荧光材料方面，

19、性能最高的是日本出光1兴产的材料。红光效率到达了11cd/A，寿命高达16万小时；绿光效率到达30cd/A，寿命为6万小时；正在开发中的高效率、 长寿命蓝光材料，0.22)，效率为，寿命万小时。磷光材料方面，UDC公司2开发的红光材料色坐标为，0.33)，效率到达15cd/A，500 cd/m2下工作寿命超过15万小时；绿光材料色坐标为，0.61)，效率到达65cd/A，初始亮度为1000cd/m2时，寿命超过4万小时；最难得到的蓝色磷光材料效率到达30cd/A，在200cd/m2的初始亮度下，寿命到达了10 万小时。总体上讲，OLED红、绿、蓝三色材料的发光效率和发光寿命均根本满足实用化需求

20、。红色磷光材料在色纯度上优于红色荧光材料，但绿光和蓝光在色纯度上还有待进一步提高。获得高色纯度、长寿命的蓝色磷光材料，仍然是富有挑战性的难题。而且对发光材料的研究而言，新三色发光材料的开发和器件色纯度、发光效率、寿命的进一步提高依然是今后一段时间内的重要工作。1.3 OLED国内外现状分析美国越来越重视OLED照明，在美国国家方案中有固态照明的工程，其中OLED 照明工程的目标为“到达 75150lmP W，且使用寿命为10000h，并且从20042021年，将投入共5155万美元的研究经费进行研发，从工程的研究核心方向中可以发现，从上游的材料特性至器件制作及性能测试，均有相关的工程进行研发，

21、可见其研发力量的布局是全面性的。欧洲对OLED照明技术的研究主要以高效率和高寿命为研发主轴，如欧洲“OLED 1001eu工程。2021年，欧洲“用于信息通讯技术和照明设备的高亮度有机发光二极管工程(OLLA)联合研究机构3发布了其最终研究成果：基于Nova led PINOLED技术的白光OLED，其初始亮度为1000cdP m2时，发光效率可到达5017lmPW。日本对于OLED照明的兴趣也在迅速增长中，日本政府参与的New Energy and Industrial Technology Development Organization正在推广一些方案，其中一个方案中，松下电工(Mats

22、ushita Electric)、出光兴产(Idemitsu Kosan)与Tazmo这3家企业将协作开发OLED照明技术。日本的Konica Minolta 公司4在2006年1月30号宣布已经成功开发了在1000cdPm2到达64lmPW的白光OLED亮度适用于照明应用。日本的Lumiotec株式会社5方案09年秋季以前建成位于山形县米泽市的工厂，并开始样品供货，量产时单片OLED面板(指四边皆为15cm的OLED面板)价格方案能降至5000日元以下。2021年5月Lumiotec新公司成立时，其发布的OLED 面板亮度为5000cdPm2，发光效率为20lmPW，寿命为6000h，202

23、1年3月在东京有明国际会展上展出了该公司用研发装置制作的厚119mm的面板。1.4 本课题的主要目的和研究内容本课题的目的就是利用Weibull函数、最小二乘法LSM的理论建立OLED寿命估计的理论模型。通过已经实现的加大OLED的驱动电流开展的两组恒定应力加速寿命试验和一组步进应力加速寿命试验，利用Weibull函数来描述其寿命分布，并对已得到数据利用最小二乘法LSM完成了白光OLED加速寿命试验数据的统计分析。由此锻炼学生独立对问题进行深入分析研究的能力。第二章 白光OLED简介白光有机电致发光器件(White OLED，以下简称WOLED)，由于它在平板显示和照明光源方面的巨大应用前景，

24、正成为当前OLED研究方面的一个热点。白光OLED的材料简介白光OLED需要用的材料包括传输型材料和发光型材料，发光型材料涉及荧光材料和磷光材料，荧光材料的寿命较好，但是效率较低；磷光材料可实现较高的内量子效率，但目前蓝光磷光材料的寿命较低，这成为白光OLED性能提高的瓶颈，所以开发高性能的蓝光磷光发光材料和与之匹配的主体材料非常重要。目前用于照明的 W2OLED要求器件所发白光具有80以上的显色指数、较高的色纯度(CIE(0133，0133)、适宜的色温(30007500K)，并且器件发光的颜色不会随着驱动电压的变化而改变。在白光器件性能上要求至少有50lmPW的效率。为了到达上述高效率，目

25、前的白光有机电致发光器件都防止采用发光效率较低的荧光掺杂材料，而几乎都使用理论上量子产率到达100%的磷光掺杂材料。磷光材料由于具有高效特征，因此在白光照明领域被广泛看好。2006年7月，Konica Minolta6技术中心成功开发了在1000cd/m2初始亮度下，发光效率64lm/W，亮度半衰期约1万小时的白光OLED器件。该器件采用的发光材料均是磷光材料，且一直为磷光材料瓶颈的蓝光材料实现了长寿命和高发光效率，在300cd/m2初始亮度下，实现了万小时的亮度半衰期。2.2 白光OLED的原理白光OLED实现方法可归纳为两种：1 波长转换法，该方法是用发蓝光的OLED激发橙色、红色荧光或磷

26、光粉实现白光，该方法也称为下转换法。2 颜色混合法，该方法是用蓝光和橙光两种补偿光或红、绿、蓝三基色光通过掺杂或多层的方式实现白光的方法。在OLED中，典型的结构有：a红、绿、蓝或蓝和橙组成的多层结构；b红、绿、蓝或蓝和橙掺杂单发光层结构；c垂直堆积结构；d微腔结构；e本征单层结构。目前对白光OLED参数要求：显示指数，较高的色纯度，适宜的色温，发光颜色不随驱动电压的变化而变化，效率，寿命万小时。为了到达上述高效率，目前的白光OLED都防止采用发光效率较低的荧光掺杂材料，而几乎都使用理论上量子产率到达100%的磷光掺杂材料。2.3 白光OLED器件结构分类目前，在研究WOLED的过程中产生了很

27、多不同的WOLED器件结构。主要有4大类：单发光层白光器件、多发光层白光器件、叠层结构的白光发光器件、下转换白光发光器件。其中多层发光结构的制备方法最多，工艺比较成熟，所制备的白光器件性能也最好。但是，多层器件在不同电流密度下，存在光谱和色坐标会随着驱动电压变化的问题，因此出现了单发光层白光器件的设计。采用单有机发光层的结构能够防止色纯度随驱动电压变化的问题，但是有些单层器件的发光强度和电流效率并不尽如人意。因此，新的叠层结构白光有机电致发光器件的结构又产生了。TWOLED是在上述多发光层和单发光层器件的根底上，将多个发光层(Red，Green，Blue)或者多个白光器件通过重掺杂的载流子产生

28、层(连接层)连接起来。各发光层都能工作在单发光层的状态下，能够有效防止白光色谱随电压漂移的情况，优化白光器件的色补偿。同时其电流注入、传输也要优于传统的单层器件。下面简单介绍一下这四种结构分类： 单发光层白光OLED这种结构的白光OLED是用红、绿、蓝或蓝和橙染料共同掺杂在单一主体材料中，也可以用能产生激态缔合物或激基级复合物发射的材料掺杂在单一发光层中，也就是掺杂单发光层的结构，这种结构最简单的方法就是把发不同颜色光的染料按一定比例同时掺杂在聚合物中，并通过旋涂的方法制备，而利用真空蒸镀方法也可以实现这种结构，多源掺杂时浓度的控制显得非常重要。 多发光层白光OLED多发光层器件通常是蓝光、橙

29、光两个发光层或红、绿、蓝三个发光层，通过调整蓝和橙或红、绿、蓝发光层发射光的比例来实现白光发射，因为器件的显色性和效率都很高，多发光层器件成为目前研究最多的白光OLED结构，可以看到，要到达所要求的白光色度和效率，所堆积的各有机层的厚度和能级必须严格控制，由于包含了多个有机有机界面，有机有机层之间存在的界面势垒往往会阻止载流子的注入，产生焦耳热，因此为了消除界面势垒问题，邻近层之间材料的最低未占据轨道(LUMO)和最高占据轨道(HOMO)的选择必须相互匹配，从而实现载流子的有效注入和传输，由于各有机层之间是相互独立的，可以分别优化，充分发挥各有机层的性能，最大限度地提高器件性能，各发光层可以用

30、稳定性好的全荧光材料，可以用效率更高的全磷光材料，也可以用荧光和磷光混合的方式，极大地提高了器件设计的灵活性但由于结构中不同发光层退化程度不同，致使器件的颜色不稳定，而且器件同时也存在制备复杂等问题。 叠层结构的白光OLED堆积(或叠层)结构OLED的概念最早是南日本三形大学J .Kido教授7提出的，这种结构通常用一种电荷产生层作为连接层把数个发光单元串联起来作为一个整体，电流密度减小，减小有机层的注入压力，因此与单元器件相比，堆积结构器件往往具有成倍的电流效率和发光亮度，由于堆积OLED的初始亮度比较大，在相同的电流密度下测量时，换算成单元器件的初始亮度，堆积器件会有较长的寿命，正是由于堆

31、积结构OLED的独特特性，以及其较易利用不同颜色发光单元串联混合成白光的特点，人们把叠层的概念应用到了白光OLED的研究中，在堆积OLED中，最重要的是电荷产生层的设计GufengHe Cars ten Rothe 等人8研究的堆叠式OLED亮度在5,000cd/m2时寿命为30000小时，当亮度为1,000cd/m2时寿命更是到达100000小时。 此外，为了能够提高白光器件的有效发光面积(100%)，同时减少器件发光在器件内部的内损耗，从而提高外量子效率，下转换白光OLED的器件结构应运而生。 下转换白光OLED下转换白光结构是用发蓝光的OLED激发黄色、橙色、红色荧光或磷光的转换层来实现

32、白光，该转换层是涂在器件外面的，所以器件和转换层没有影响，波长转换法实现的白光 OLED具有许多优点：1在器件中只存在一个发蓝光的发光层，不存在由于不同有机发光层带来的不同退化问题；2单层器件，制备简单，可降低本钱；3可以结合光转换层散射磷光粒子的性质提高光输出耦合；4很容易通过蓝光性质来优化器件性能，该方法也存在一些问题，如蓝光材料决定了器件的效率和稳定性，而目前对OLED来说，蓝光是最大的问题。另外，在光转换时由于存在能量损耗问题，严重影响了效率的提高，而通过改变综合发光光谱，就可以到达最大的照明性能。综上所述，下转换白光器件由于其在有效发光面积和提高外量子效率方面的优势，可能成为照明用W

33、OLED一个重要的开展方向；叠层结构的白光器件虽然目前其工艺比较复杂，可重复性不高，但是由于它在提高发光效率、发光强度和色补偿方面有其优，因而通过进一步研究完善制备工艺之后，有望成为照明用WOLED生产的主流技术。也可以在此根底上，将叠层结构和下转换两种技术结合起来开展白光有机电致发光器件。2.4 白光OLED器件的性能指标白光OLED器件的性能指标主要包括效率、寿命、显色指数、色温等，下面就来简要介绍一下这几个重要参数。2.4.1 白光OLED器件的寿命OLED器件寿命的评估最早是由柯达9提出的，它是指当器件亮度为初始亮度的一半时器件的发光时间。影响OLED寿命的因素主要有以下几点：1) O

34、LED的阴电极大多为电离能较小的活泼金属(如钙、镁、铝等)，它们在含氧的环境中极易被氧化，从而导致器件性能的下降；2) 有机发光材料对杂质、氧、水都非常敏感，极易被污染，从而降低发光效率；3) OLED工作时产生的焦耳热会进一步加剧OLED器件中各种材料，如衬底材料、发光材料、辅助材料和电极在空气中的老化，进而影响器件的使用寿命。此外如果器件的效率低，那么意味着有更多的光以热的形式辐射掉了，也会影响器件的稳定性。因此，提高效率除了省电，也有助于提高寿命。2.4.2 白光OLED器件的显色指数、色温 光源的色温是通过比照它的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的。热黑体辐射体与光源的色彩相匹配时的开尔

35、文温度就是那个光源的色温，它直接和普朗克黑体辐射定律相联系。显色指数是通过与同色温的参考或基准光源(白炽灯或日光)下物体外观颜色的比较。光所发射的光谱内容决定光源的光色，但同样光色可由许多、少数甚至仅仅两个单色的光波混合而成，对各个颜色的显色性亦大不相同。相同光色的光源会有相异的光谱组成，光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差。色差程度愈大，光源对该色的显色性愈差。一般来说，色温在30006000K之间的高质量光源显色指数要在80以上。2007年柯尼卡美能达公司10宣布了其白光器件在效率上取得的进展，采用蓝色、

36、黄绿色和红色磷光材料而制备的白光器件在亮度1000cd/m2下效率可以到达64 lm/W，此效率远远超过了白炽灯的效率，为白光OLED进入照明市场提供了可能。2021年，美国UDC11宣布其开发出了在亮度1000cd/m2下发光效率可到达102lm/W的白光OLED，发出的白光显色指数(CRI)为70，色温为3900K，寿命为8000小时。此款白光技术除了使用UDC自己开发的磷光材料外，还使用了与南韩LG化学和新日铁化学合作开发的材料，这是目前白光技术方面宣布的最高效率。2.4.3 白光OLED器件的效率由于OLED发光属于电流驱动，因此量子效率可以比较准确地描述OLED内发光机制的优劣。量子

37、效率定义为放出光子数目与注入电子数目的比率，而量子效率又可分为外部量子效率和内部量子效率。外部量子效率是指在观测方向，射出器件外表的光子数目与注入电子数目的比率，由于OLED 器件是多层结构，发光层所发出的光会经由波导效应或再吸收而损失，因此内部量子效率是排除此效应后发光层实际的发光效率，而出光率即为外部量子效率与内部量子效率之比。如果应用在显示技术上，发光效率又称电流效率。它和发光效率是较常被使用的，前者注重发光材料特性的考虑，为材料与化学家常引用，而后者那么注重面板耗电和能量系统设计的考量，为光电工程师常用。2.5 白光OLED的应用前景(1) 可用于居住和商业建筑的平面照明灯，也可用于博

38、物馆或艺术展览；(2) 用白光OLED壁纸可制作成大型的广告牌或标志板，面积可到达200平方英尺；(3) 超轻的壁挂OLED电视、触摸屏或者显示器；(4) 家庭和办公室的变色平板灯，大面积壁灯和天花板灯；(5) 从可编程的光强、光色、光束方向性能中得到有益应用；(6) 办公室的墙壁或者隔墙，也可以兼作平板灯和计算机显示屏两用；(7) 大面积液晶电视和显示器的背光灯，因为OLED本身面发光、所以不需要LED背光系统中的光导板、漫放射屏和其他的一些原件；(8) 塑料医疗和平安器件，如X射线探测器的集成电路板；(9) OLED照明不需要作成复杂和昂贵的灯具，可在医学上用作高亮度、长寿命无影灯；(10

39、) 聚合物传感器包括环境传感器、指印传感器、生物传感器、基因传感器、化学和工业传感器等。2.6 小结白光OLED的开展目标，是成为真正的低本钱、高效率、长寿命的平板白光光源。在过去十多年的研究工作中，白光OLED在效率和寿命方面都取得了长足的进步，但同时面临的挑战也是巨大的，其中最显著的是提高器件在高电流工作状态下的效率和寿命，而新材料和新结构的开发和使用有望解决这两方面的困难。虽然过程是艰辛的，但距离白光OLED实用化和商品化的日子将不再遥不可及。第三章 可靠性与加速寿命试验简介 可靠性 可靠性的定义产品、系统在规定的条件下、规定的时间内，完成规定功能的能力称为可靠性。 这里的产品可以泛指任

40、何系统、设备和元器件。产品可靠性定义的要素是三个“规定： “规定功能、 “规定时间和“规定条件。 “规定功能是指产品规定了的必须具备的功能及其技术指标。所要求产品功能的多少和其技术指标的上下，直接影响到产品可靠性指标的上下。例如，电风扇的主要功能有转叶，摇头，定时，那么规定的功能是三者都要，还是仅需要转叶能转能够吹风，所得出的可靠性指标是大不一样的。“规定时间是指产品规定了的任务时间；随着产品任务时间的增加，产品出现故障的概率将增加，而产品的可靠性将是下降的。因此，谈论产品的可靠性离不开规定的任务时间。例如，一辆汽车在在刚刚开出厂子，和用了5年后相比，它出故障的概率显然大了很多。 “规定条件包

41、括使用时的环境条件和工作条件；例如同一型号的汽车在高速公路和在崎岖的山路上行驶，其可靠性的表现就不大一样，要谈论产品的可靠性必须指明规定的条件是什么。 可靠性的评价 可靠性的评价可以使用概率指标或时间指标，这些指标有：失效率、可靠度、平均寿命等。下面简单介绍一下可靠性的这些指标：1 失效率失效率又称为故障率，定义为工作到某时刻尚未失效故障的产品，在该时刻以后的下一个单位时间内发生失效故障的概率，其观测值即为在某时刻以后的下一个单位时间内失效的产品数与工作到该时刻尚未失效的产品数之比。联系到可靠度函数，失效率应该定义为，失效率时产品一直到某一时刻为止尚未发生故障的可靠度在下一单位时间内可能发生故

42、障的条件概率，即，表示在某段时间内圆满地工作的百分率在下一个瞬间将以何种比率发生失效或故障，因此，失效率的表达式为 3.1另外，平均失效率也用积分式表达为 3.2典型的失效率曲线是浴盆曲线，其分为三个阶段：早期失效期、偶然失效期、耗损失效期。早期失效期的失效率为递减形式，即新产品失效率很高，但经过磨合期，失效率会迅速下降；偶然失效期的失效率为一个平稳值，意味着产品进入了一个稳定的使用期；耗损失效期的失效率为递增形式，即产品进入老年期，失效率呈递增状态，产品需要更新。提高可靠性的措施可以是：对元器件进行筛选；对元器件降额使用，使用容错法设计使用冗余技术，使用故障诊断技术等。1 早起失效期早期失效

43、期的特点是失效率非常高，但随着产品工作时间的增加，失效率迅速降低。这一阶段产品失效的原因大多是由于设计、原谅和制造过程中的缺陷造成的。譬如电阻器由于刻槽不均匀而烧毁；电容器由于介质混入导电微粒引起电击穿；电子管的部件因点焊不牢而造成开路失效；电视机由于对元器件筛选不严而在开始使用时频繁出故障等。如果在生产过程中加强对原材料的检验，加强质量管理，不断提高操作人员技术水平和责任心，那就可以大大地减少早起失效的产品。使产品的失效率到达偶然失效期的失效率水平的时间称为交付使用点。厂方为了尽快到达交付使用点，常常采用合理的筛选技术和加负荷试验，或者用其它方法将这些有缺陷、不可靠产品尽早的暴露出来，使剩余

44、下来的产品有较低的失效率，一旦到达交付使用点的失效率水平，产品就可以出厂，交付使用。2 偶然失效期偶然失效期也称随机失效期或稳定工作阶段。这是产品特别是整机的最良好的工作时期。这一阶段的特点是失效率较低，且比较稳定，往往可以看作是常数。在这阶段内，产品失效常常是由于多种因素造成的，而每一种因素都不太严重，因此失效纯属偶然。在这一阶段要尽力做好产品的维护和保养工作，使这一阶段尽量延长。假设不注意这一点，就会使更新点提前到来。3 损耗失效期它是从材料的老化或机械磨损而引伸到可靠性领域来的。耗损失效期的特征是失效率随时间延长而急速增加，到了这一阶段，大局部产品都要开始失效，这时可针对不同情况采取一些

45、补救措施。譬如由于元器件老化引起整机失效，那就更换这局部元器件；对寿命较短的产品电子管，化学电源可以采取预防性检修措施和替换方法等等。图 3-1失效率曲线2 可靠度可靠度又称可靠度函数或可靠度分布函数，它表示在规定的使用条件下和规定的时间内，无故障地发挥规定功能而工作的产品占全部工作产品的百分率。与可靠度相对应的有不可靠度，它表示在规定的使用条件下和规定的时间内不能完成规定功能的概率，又称为失效概率函数，记为。显然，有以下关系，即： 3.3 3.4对失效概率函数求导，那么得到失效密度函数，即： 3.5从上述结论可以看出，可靠度函数可以被失效概率函数或失效密度函数完全确定。反之，由也可唯一确定相

46、应的和，所以这三个函数一样可以用来描述寿命的统计规律性。3 平均寿命平均寿命对不可修复或不值得修复的产品和可修复的产品有不同的含义。对于不可修复的产品，其寿命是指产品发生失效前的工作时间或工作次数。因此，平均寿命是指寿命的平均值，即产品在丧失规定功能前的平均工作时间，通常记作MTTFmean time to failure。对可修复的产品，寿命是指两次相邻故障间的工作时间，而不是指产品的报废时间。因此，对这类产品的平均寿命是指平均无故障工作时间，或称平均故障间隔时间，记作MTBFmean time between failures。但是，不管哪类产品，平均寿命在理论上的意义是类似的，其数学表达

47、式也是一致的。假设被试产品数位，产品的寿命分别为，那么他们的平均寿命为各寿命的平均值，即 3.6当失效密度函数，且连续分布，那么，总体的平均寿命可按下式计算： 3.7一般说来，电子元器件的平均寿命愈长，在短时间内工作的可靠性愈高。但是，可靠性与寿命虽然密切相关，又不是同一概念，不能混为一谈。不能认为可靠性高，寿命就长；也不能认为寿命长的可靠性就必然高，这与使用要求有关。通常所指的高可靠，是指产品完成要求任务的把握性特别高；而长寿命，是指产品可以用很长时间工作而性能良好。如海、地缆线通讯设备所用元器件要求使用20年而性能良好，表达了长寿命；导弹工作时间不一定长，但工作时间内几秒、几分或半小时要求

48、高度可靠，万无一失，这就表达为高可靠。 可靠性的意义1 高可靠性产品，才有高的竞争能力 只有产品可靠性提高了，才能提高产品的信誉，增强日益剧烈的市场竞争能力。日本的汽车曾一度因可靠性差，在美国造成大量退货，几乎失去了美国市场。日本总结了经验，提高了汽车可靠性水平，因此使日本汽车在世界市场上竞争力很强。中国实行改革、开放的国策，现又面临参加WTO，挑战是严峻的。我们面临的是世界兴旺国家的竞争，如果我们的产品有高的可靠性，那就能打入剧烈竞争的世界市场，从而获得巨大经济效益，促进民族工业的开展；相反，那么会被别国挤出市场，甚至失去局部国内市场，由此可见生产高可靠性的产品的重要性。2 高可靠性产品可获

49、得高的经济效益 提高产品可靠性可获得很高的经济效益。如美国西屋公司12为提高某产品的可靠性，曾作了一次全面审查，结果是所得经济效益是为提高可靠性所花费用的100倍。另外，产品的可靠性水平提高了还可大大减少设备的维修费用。1961年美国国防部预算中至少有25%用于维修费用。苏联过去有资料统计，在产品寿命期内以下产品的维修费用与购置费用之比为：飞机为5倍，汽车为6倍，机床为8倍，军事装置为10倍，可见提高产品可靠性水平会大大降低维修费用，从而提高经济效益。 3 高可靠性产品才能满足现代技术和生产的需要 现代生产技术的开展特点之一是自动化水平不断提高。一条自动化生产线是由许多零部件组成，生产线上一台

50、设备出了故障，那么会导致整条线停产，这就要求组成线上的产品要有高可靠性，比方Appolo宇宙飞船13正是由于高可靠性，才一举顺利完成登月方案。现代生产技术开展的另一特点设备结构复杂化，组成设备的零件多，其中一个零件发生故障会导致整机失效。如1986年美国“挑战者号航天飞机就是14因为火箭助推器内橡胶密封圈因温度低而失效，导致航天飞机爆炸和七名宇航员遇难及重大经济损失。由此可见，只有高可靠性产品才能满足现代技术和生产的需要。 3.2 加速寿命试验 加速寿命试验的概念所谓加速寿命试验是在保持失效机理不变的条件下，通过加大试验应力来缩短试验周期的一种寿命试验方法。加速寿命试验采用加速应力水平来进行产

51、品的寿命试验，从而缩短了试验时间，提高了试验效率，降低了试验本钱。 加速寿命试验，按照应力施加方式的不同，通常分为三种类型：步进应力加速寿命试验、序进应力加速寿命试验、恒定应力加速寿命试验(简称步加、序加、恒加试验)。步加试验那么是把全部样品先放在某个加速应力水平下进行试验，待到一定时间或一定个数的样品失效，把未失效样品放在更高的加速应力水平下继续进行试验，如此进行下去，应力逐步提高,直至规定时间或到达一定数量的样品失效个数，试验结束。序加试验和步加试验根本相同，只是施加的加速应力是一个随着时间增加连续上升的函数。恒加试验是把全部样品分成几组，每组样品都在某个恒定加速应力水平下进行寿命试验，试

52、验到规定时间(亦称截尾时间)或规定的失效个数(亦称截尾个数)结束。下面将简单介绍一下加速寿命试验的这三种类型。 加速寿命试验的类型加速寿命试验大致可分为三类：1 步进应力加速寿命试验。它是先选定一组应力水平，譬如是，它们都高于正常工作条件下的应力水平。试验开始时把一定数量的样品在应力水平下进行试验，经过一段时间，如小时后，把应力水平提高到，未失效的产品在应力水平继续进行试验，如此继续下去，直到一定数量的产品发生失效为止。It0I4I3I2I1t1t2t3图3-2 步加试验示意图 (表示失效)2 序进应力加速寿命试验。它所施加的应力水平将随时间等速上升，这种试验需要专门的设备。It0图3-3 序

53、加试验示意图 (表示失效)3 恒定应力加速寿命试验。它是将一定数量的样品分为几组，每组固定在一定的应力水平下进行寿命试验，要求选取各应力水平都高于正常工作条件下的应力水平。试验时要进行到各组样品均有一定数量的产品发生失效为止。It0I4I3I2I1图3-4 恒加试验示意图 (表示失效)上述三种加速寿命试验中，以恒定应力加速寿命试验最为成熟。尽管这种试验所需的时间不是最短，但比一般的寿命试验的试验时间还是缩短了不少。因此它还是经常被采用的试验方法。目前国内外许多单位以采用恒定应力加速寿命试验的方法来估计产品的各种可靠性特征。第四章 加速寿命试验数据的统计分析及寿命估计4.1 威布尔分布威布尔分布

54、15在可靠性理论中被广泛使用，对于大多数电子、机械、机电产品的寿命都可认为服从威布尔分布。威布尔分布的密度函数： 4.1记作。其中为形状参数，且；为特征寿命，。不同形状参数固定的密度函数曲线不同。因此，形状参数对威布尔分布有很大影响。当时，密度函数与失效率函数都是减函数，此时相当于早期失效；当时，威布尔分布即为指数分布；当时，密度函数曲线呈单峰对称状，近似于正态分布。失效率函数为增函数，此时相当于产品耗损失效。假设，那么可靠度函数： 4.2失效率函数： 4.3威布尔分布的平均寿命与方差分别为： 4.4 4.5式中，是伽马函数，由式4.2得到在的中位寿命为： 4.64.2 最小二乘法最小二乘法是

55、点估计的一种方法，它主要是用来估计线性函数通常称为线性回归中的未知参数。它是由高斯16在1809年首先提出的，后来马尔可夫在1900年又进一步开展了它。这个方法同样可以用来估计寿命分布中的未知参数。设在某一个试验过程中有一个可控的变量，当变化时，试验结果也随着变化，但与之间没有一个完全确定的函数关系。这是因为在试验过程中还有其它一些随机因素对试验结果的干扰。即使对同一个值重复屡次试验，试验结果也有随机波动。因此试验结果就是一个随机变量。但是对这种随机波动取平均后，与之间的函数关系就呈现出某种稳定性。假设这种函数关系式线性函数关系，那么就是的线性函数，即 4.7为了估算上式中的和，常设计个试验，

56、在第次试验中让取，相应的试验结果记为，于是有： 4.8假设在变量取时，试验结果的数值仍记为，那么与是有差异的。记其偏差为： 4.9这些偏差的平方和仅是与的函数，记为： 4.10所谓确定与的最小二乘法，就是选择这样的与，使得上述偏差平方和到达最小，即： 4.11这样的与分别称为参数与的最小二乘估计。由于是与的二次函数，并且二次项的系数为正，故与的最小二乘估计一定存在，并且可用微分法求得。为此，我们分别求对与的偏导数，并命其为零，即： 4.12经过简化，上述方程组可以改写为： 4.13其中求和号是对从1到求和。解这个方程组，可得： 4.14记，经过一些代数运算，可以把上面结果写得更为简单： 4.1

57、5这就是参数与的最小二乘估计。代回4.7，即得到对的回归方程： 4.164.3 理论假设假设1在电流应力I下，白光OLED寿命服从威布尔分布，其分布函数为： ， 7式中：为应力下的形状参数，它直接影响着威布尔函数失效密度分布曲线的几何形状；为应力下的尺度参数，它决定着失效密度分布曲线的陡度，也具体表示出器件寿命的长短。假设2在各电流应力水平下，OLED的失效机理不变。由于威布尔分布的形状参数反映失效机理，从数学角度上看就是形状参数保持不变，因此有： 4.18假设各应力水平下形状参数的估计值分别为，那么形状参数可根据假设2取加权平均： 4.19式中：为该电流应力水平下试验样品的总数。假设3白光O

58、LED，加速模型符合逆幂律17，即：尺度参数与电流应力满足： 4.20式中：为待估算的加速参数。假设4Nelson18于1980年提出了著名的原理：样品的剩余贮存寿命仅与当时已累积失效局部和当时应力水平有关，而与积累方式无关。即OLED在应力下，工作了时间积累的失效概率为，相当于此OLED在应力下，工作了时间所积累的失效概率，即： 4.214.4 恒定应力加速寿命试验数据的统计分析将式7改写为 4.22两边取两次自然对数，得 4.23令 4.24那么结合式4.23和式4.24，得 4.25电流应力下OLED的积累失效概率确实定如下：将失效时间从小到大顺序排列，每个对应的积累失效概率按以下中位秩

59、公式进行计算： 4.26这样便可以得到以下实验数据： 4.27按式4.24，可以把式4.27转化为线性模型数据： 4.28采用最小二乘法回归为直线，其中系数表达式为： 4.29由式4.24和4.29可以得到在电流应力下的形状参数和尺度参数的估计： ， 4.304.5 步进应力加速寿命试验数据的统计分析综合7、4.20、4.21，可以得到加速电流应力相对于的加速系数： 4.31式中为式4.20中的斜率即为加速参数，可通过点来配置加速寿命直线，并采用最小二乘法计算出来。利用步进应力失效时间，结合式4.31便可推算出所有产品在每步应力水平下的失效时间。由具体的步进应力的试验的应力施加模式可知：第步应

60、力的失效时间包含了前步的应力积累小效应，因此，应当把前步应力的试验时间折算到 步。可以把步进应力，下各产品的失效时间按折算到，下的失效时间，折算公式为： 4.324.6 试验数据恒定应力水平和的实验样品的失效时间如下表所示：表4.1 和恒定应力试验样品的失效时间电流应力/mA失效时间/ht1t2t3t4t5t6t7t8t9t10I125862868I3对于步进应力试验，步进应力下的失效时间折算到、应力下的失效时间如下表所示：表4.2 步进应力下的失效时间折算到、应力下的失效时间应力/mA失效时间/ht1t2t3t4t5t6t7t8I2I44.7 试验数据处理由于寿命的计算比较复杂，所有数据处理