LED封裝可靠性和壽命分析

1、LED封裝可靠性和壽命分析 鐘群鐘群 博士博士深圳中景科創(chuàng)光電科技有限公司深圳中景科創(chuàng)光電科技有限公司白光白光LED器件發(fā)光效率的發(fā)展和預(yù)測(cè)器件發(fā)光效率的發(fā)展和預(yù)測(cè)白光白光LED同傳統(tǒng)照明光源的比較同傳統(tǒng)照明光源的比較Lamp TypePower（W）Luminous Efficacy（lm/W）System L/E（lm/W）Lifetime（k hrs）CRI（%）Incandescent15107298-100Incandescent601510198-100Tungsten-halogen 10129398-100Tungsten-halogen501812298-100Fluores

2、cent Tube2880481050-90Fluorescent Tube5890541250-90Compact Fluorescent Lamp55025865-88Compact Fluorescent Lamp157035565-88Metal Halide7575401570-85Metal Halide400100501070-85High Pressure Sodium Vapor400110-14050-642025LED（2010）n/a120755080-90LED（2012）n/95LED照明光源的環(huán)保特性照明光源的環(huán)保特性輸入功率轉(zhuǎn)化為：白熾

3、燈熒光燈金鹵燈白光LED（120 lm/W)白光LED（240 lm/W)可見(jiàn)光輻射能量5%23%27%33%66%紅外輻射能量90%33%17%0%0%紫外輻射能量0%3%19%0%0%輻射能量總和95%59%63%33%66%熱能5%41%37%67%34%總和100%100%100%100%100%LED封裝結(jié)構(gòu)封裝結(jié)構(gòu)DIP LED & PiranhaSMD LED LED Display High Power LED如何理解LED照明的壽命？n同同LEDLED器件器件, ,電源電源, , 以及所有配件的壽命有關(guān)以及所有配件的壽命有關(guān)n壽命同可靠性有關(guān)，或者說(shuō)同上述所有零部壽命

4、同可靠性有關(guān)，或者說(shuō)同上述所有零部件的失效有關(guān)：件的失效有關(guān)： R(t) = 1 P(t) R(t)R(t)：可靠性幾率：可靠性幾率 P(t)P(t)：失效幾率：失效幾率 t t：時(shí)間：時(shí)間 平均失效時(shí)間 MTTFMTTF = Mean Time To Failure可靠性幾率同失效率可靠性幾率同失效率成指數(shù)關(guān)系成指數(shù)關(guān)系 R(t) = exp(-t) MTTF和失效率成反比和失效率成反比MTTF = 1/壽命同壽命同MTTF成正比關(guān)系成正比關(guān)系, 和失效率成反比關(guān)系和失效率成反比關(guān)系實(shí)例分析中景中景LEDLED器件的器件的MTTFMTTF可達(dá)可達(dá)10108 8device hrsdevice

5、 hrs；單個(gè)器件使用單個(gè)器件使用1000010000小時(shí)的可靠性幾率：小時(shí)的可靠性幾率：R(t) = expR(t) = exp -10000/10-10000/108 8 = exp = exp -10-10-4-4 = 99.99% = 99.99% 失效幾率失效幾率 P P（t t）= 1- R(t= 1- R(t） = 0.01% or 100 ppm= 0.01% or 100 ppm 傳統(tǒng)照明工業(yè)的壽命標(biāo)準(zhǔn)*B-壽命是指多少比例的產(chǎn)品毀壞性失效，比如開(kāi)路，短路，不亮等壽命是指多少比例的產(chǎn)品毀壞性失效，比如開(kāi)路，短路，不亮等LED的B-壽命的理解同同B-壽命相關(guān)的失效機(jī)理是壽命相關(guān)

6、的失效機(jī)理是Catastrophic Failure（崩潰失效）（崩潰失效）LED的崩潰失效有：的崩潰失效有： 開(kāi)路或短路開(kāi)路或短路 滅光（或非正常的急劇光衰）滅光（或非正常的急劇光衰）一般來(lái)說(shuō)，如果以上述徹底毀壞的因素來(lái)定義一般來(lái)說(shuō)，如果以上述徹底毀壞的因素來(lái)定義LED器件的器件的B-壽命，壽命，則則LED器件的壽命非常長(zhǎng)，即使器件的壽命非常長(zhǎng)，即使B-10都能超過(guò)都能超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)。事實(shí)上，萬(wàn)小時(shí)。事實(shí)上，LED器件的器件的B-10壽命必須同壽命必須同L-壽命結(jié)合起來(lái)考慮。壽命結(jié)合起來(lái)考慮。LED的L-壽命的理解同同L-壽命相關(guān)的機(jī)理是光衰，或者反過(guò)來(lái)說(shuō)，光維持。壽命相關(guān)的機(jī)理是光衰，或者

7、反過(guò)來(lái)說(shuō)，光維持。LED的正常情形（非失效原因）的光衰同下述原因有關(guān)：的正常情形（非失效原因）的光衰同下述原因有關(guān)：n 芯片結(jié)構(gòu)芯片結(jié)構(gòu)n LED芯片芯片PN結(jié)溫結(jié)溫n 工作電流工作電流根據(jù)美國(guó)根據(jù)美國(guó)ASSIST（Alliance for Solid-state Illumination Systems Technologies)的建議，的建議，L-壽命以壽命以LED光通下降到初光通下降到初始始70%為界限，記為為界限，記為L(zhǎng)-70。當(dāng)然在某些特殊應(yīng)用上可以改變，。當(dāng)然在某些特殊應(yīng)用上可以改變，比如許多燈具連成一片的照明工程可以采用比如許多燈具連成一片的照明工程可以采用L-80；裝飾性燈光；

8、裝飾性燈光工程可以采用工程可以采用L-50。LED的L-壽命同LED-PN 結(jié)溫有關(guān)溫度讓材料中的原子互相擴(kuò)散，破壞了溫度讓材料中的原子互相擴(kuò)散，破壞了LED PN結(jié)界面結(jié)界面的陡性，因此發(fā)光效率降低的陡性，因此發(fā)光效率降低LED的L-壽命同工作電流有關(guān)工作電流的影響同芯片的結(jié)構(gòu)有關(guān)。工作電流的影響同芯片的結(jié)構(gòu)有關(guān)。電流擴(kuò)散性影響芯片溫度電流擴(kuò)散性影響芯片溫度LED器件壽命- 同芯片和封裝的關(guān)系LED壽命本質(zhì)上是指芯片的壽命；壽命本質(zhì)上是指芯片的壽命；在老化測(cè)試中，最先在老化測(cè)試中，最先1000小時(shí)被認(rèn)為是無(wú)效的。小時(shí)被認(rèn)為是無(wú)效的。影響影響LED器件可靠性的主要因素器件可靠性的主要因素封裝材

9、料的光熱穩(wěn)定性和應(yīng)力：封裝材料的光熱穩(wěn)定性和應(yīng)力：n應(yīng)力?。簾崤蛎浕蚴湛s系數(shù)比較小n玻璃化溫度（Tg）影響上述系數(shù)n高透光率而且無(wú)黃變n耐熱耐紫外n無(wú)吸濕性 硅膠和環(huán)氧樹(shù)脂的性能比較硅膠針對(duì)不同波長(zhǎng)的透光率硅膠針對(duì)不同波長(zhǎng)的透光率耐溫實(shí)驗(yàn)紫外穩(wěn)定性紫外穩(wěn)定性L-壽命- 同LED PN結(jié)溫的關(guān)系L-壽命同LED結(jié)溫的關(guān)系采用Arrhenius模型： Lifetime exp(Ea/kTj) 其中：Ea：活化能，單位是電子伏特（eV） k：Boltzman常數(shù)（8.617 x 10-5 eV/K) Tj：結(jié)溫，絕對(duì)溫度對(duì)于半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，歷史上Ea活化能定為0.43eV.但是對(duì)于AlGaInP和I

10、nGaN這些LED材料來(lái)說(shuō)，0.43eV已不合適，而且不同廠家生產(chǎn)的LED材料的Ea都不相同。一般來(lái)說(shuō)，Ea越大，則LED在低結(jié)溫下壽命更長(zhǎng)。 結(jié)溫的推算-熱阻定義結(jié)溫的推算- 熱阻模型同電阻計(jì)算完全一致！結(jié)溫的推算- 熱阻模型單一材料熱阻計(jì)算一般材料的導(dǎo)熱系數(shù)（一般材料的導(dǎo)熱系數(shù)（W/mK）：）：純鋁220純氧化鋁37鋁合金120-180ABS0.25純銅386有機(jī)玻璃0.19黃銅119PC0.19純金318PS0.1純銀418PVC0.16純鐵72硅橡膠0.19錫64環(huán)氧樹(shù)脂0.2鈦15.6玻璃0.78金剛石2100磚頭0.69鎢180木頭0.1-0.15不銹鋼12-40鎳鉻比例大則導(dǎo)熱差

11、熱阻計(jì)算公式：熱阻計(jì)算公式：AL1RAL1R其中：其中：代表導(dǎo)熱系數(shù)代表導(dǎo)熱系數(shù)L L：代表導(dǎo)熱距離：代表導(dǎo)熱距離A A：代表導(dǎo)熱截面積：代表導(dǎo)熱截面積結(jié)溫的推算- 結(jié)溫計(jì)算如果一個(gè)如果一個(gè)LED器件或器件或LED燈具的從芯片燈具的從芯片PN結(jié)到環(huán)境的熱阻是已知結(jié)到環(huán)境的熱阻是已知的，而且功率是已知的，則結(jié)溫可以通過(guò)上述公式知道。的，而且功率是已知的，則結(jié)溫可以通過(guò)上述公式知道。TA代表所測(cè)點(diǎn)的溫度，不一定是環(huán)境溫度，可以是任何一個(gè)容易代表所測(cè)點(diǎn)的溫度，不一定是環(huán)境溫度，可以是任何一個(gè)容易測(cè)到而且溫度能達(dá)到平衡的點(diǎn)。測(cè)到而且溫度能達(dá)到平衡的點(diǎn)。LED器件壽命的測(cè)試- TMPTMP = 溫度測(cè)量

12、點(diǎn)n散熱銅柱（Slug）上的溫度n貼片LED的引腳上（Soldering Point）的溫度n封裝底座上的溫度（Substrate)上的溫度nLED模組上MCPCB（金屬基PCB）的溫度n電源外殼溫度n電源基座溫度TMP的測(cè)試示意圖LED器件的壽命評(píng)估器件的壽命評(píng)估- IESNA LM80標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)新出臺(tái)的美國(guó)新出臺(tái)的IESNA LM80-08標(biāo)準(zhǔn)約定標(biāo)準(zhǔn)約定6000小時(shí)的小時(shí)的老化測(cè)試時(shí)間。老化測(cè)試時(shí)間。老化測(cè)試數(shù)據(jù)總結(jié)LED器件壽命曲線的模擬和推導(dǎo)Weibull Distributionet- -1 -ttf）（其中：其中：是無(wú)量綱，修正曲線的形狀；是無(wú)量綱，修正曲線的形狀； 是失效率；

13、是失效率； t 是時(shí)間。是時(shí)間。Lifetime Extrapolation（20mA on single chip）Lifetime Extrapolation（40mA on single chip） L70和和Tj的關(guān)系的關(guān)系 Lifetime Estimation and AnalysisLED燈具的壽命- 系統(tǒng)概念LED燈具成為一個(gè)系統(tǒng)，其可靠性幾率同所有配件和性能的失效率的加和有關(guān)： ttRiiexp)(從上述公式中可以看出，如果某一因素的壽命特別從上述公式中可以看出，如果某一因素的壽命特別短，或者失效率特別高（壽命和失效率成反比），短，或者失效率特別高（壽命和失效率成反比），則系統(tǒng)可靠性只同這個(gè)因素有關(guān)。則系統(tǒng)可靠性只同這個(gè)因素有關(guān)。影響LED燈具L-壽命的因素nLED芯片的壽命nLED封裝材料對(duì)光和熱的抵抗性nLED燈具中光學(xué)系統(tǒng)和透光材料的透光率穩(wěn)定