LED可靠性與測(cè)試技術(shù)

LED可靠性與測(cè)試技術(shù)12機(jī)電332

胡桂

LED可靠性與測(cè)試技術(shù)1可靠性理論基礎(chǔ)2LED壽命測(cè)試方法3LED失效分析4改善LED可靠性的關(guān)鍵技術(shù)LED可靠性與測(cè)試技術(shù)

LED要進(jìn)入照明領(lǐng)域，其可靠性是人們關(guān)注的一大焦點(diǎn)。

較之傳統(tǒng)的LED，照明LED的輸入功率更大，應(yīng)用環(huán)境和條件更加惡劣和嚴(yán)苛，這對(duì)LED的可靠性提出了更高的要求。

必須仔細(xì)研究LED的失效現(xiàn)象，分析其失效機(jī)理，找出影響LED可靠性的關(guān)鍵因素?！?可靠性理論基礎(chǔ)所謂的可靠性有廣義和狹義兩種解釋?zhuān)邯M義可靠性是指“產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”，也就是說(shuō)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的可能性或概率。廣義可靠性是指產(chǎn)品在整個(gè)壽命周期內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，它包括狹義可靠性和維修性?！?可靠性理論基礎(chǔ)LED可靠性研究主要是為了：（1）確定LED的失效機(jī)制；（2）測(cè)試LED的壽命；（3）通過(guò)恰當(dāng)?shù)睦匣夹g(shù)來(lái)提高LED的可靠性；（4）通過(guò)改進(jìn)器件設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)來(lái)提高LED的可靠性；（5）通過(guò)設(shè)備和系統(tǒng)改進(jìn)來(lái)提高LED的可靠性。§1可靠性理論基礎(chǔ)一、可靠度根據(jù)可靠性的定義，說(shuō)明對(duì)于LED在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，可能具有完成規(guī)定功能的能力，也可能喪失了完成規(guī)定功能的能力(稱(chēng)為失效)。這應(yīng)屬于一種隨機(jī)事件。描述這種隨機(jī)事件的概率可用來(lái)作為表征LED可靠性的特征量和特征函數(shù)，即用概率來(lái)表征發(fā)光二極管完成規(guī)定功能能力的大小。§1可靠性理論基礎(chǔ)二、累積失效概率

顯然R（t）+F（t）=1，與隨時(shí)間的變化曲線如下圖所示?！?可靠性理論基礎(chǔ)三、失效分布密度

R(t)

，F(xiàn)(t)，

f(t)三者之間的關(guān)系如下圖所示：§1可靠性理論基礎(chǔ)四、失效率

失效率λ（t）也稱(chēng)為產(chǎn)品的瞬時(shí)失效率，是表征發(fā)光二極管的可靠性數(shù)量的重要標(biāo)志。

在實(shí)際工作中，人們最關(guān)心的是在t時(shí)刻還在正常工作的產(chǎn)品中，在t時(shí)刻后的Δt時(shí)間間隔內(nèi)(t+Δt)還有多少百分比的產(chǎn)品失效，這就是瞬時(shí)失效率的概念。§1可靠性理論基礎(chǔ)五、浴盆形失效率函數(shù)

經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，LED的失效隨時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律呈浴盆狀?！?LED壽命測(cè)試方法一、壽命壽命是定量表征LED可靠性的又一物理量。由于可靠性是一種統(tǒng)計(jì)的概念，因此，在某一個(gè)特定LED個(gè)體發(fā)生失效之前，難以標(biāo)明其確切的壽命值。但明確了某一批LED產(chǎn)品的失效率特征后，就可以得到表征其可靠性的若干壽命特征量，如平均壽命、可靠壽命、中位壽命、特征壽命等?！?.2LED壽命測(cè)試方法二、LED壽命測(cè)試方法LED壽命加速試驗(yàn)的目的概括起來(lái)有：在較短時(shí)間內(nèi)用較少的LED估計(jì)高可靠LED的可靠性水平運(yùn)用外推的方法快速預(yù)測(cè)LED在正常條件下的可靠度；在較短時(shí)間內(nèi)提供試驗(yàn)結(jié)果，檢驗(yàn)工藝；在較短時(shí)間內(nèi)暴露LED的失效類(lèi)型及形式，便于對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行研究，找出失效原因；淘汰早期失效產(chǎn)品，測(cè)定元LED的極限使用條件。§8.2LED壽命測(cè)試方法二、LED壽命測(cè)試方法1.溫度加速壽命測(cè)試法由于通常LED壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)左右，因此要測(cè)得其常溫下的壽命時(shí)間太長(zhǎng)，因此采用加速壽命的方法。根據(jù)高溫加速壽命得的結(jié)果外推其他溫度下的壽命。LED溫度加速老化壽命測(cè)試原理是基于Arrhenius模型?！?.2LED壽命測(cè)試方法二、LED壽命測(cè)試方法2.電流加速壽命測(cè)試法這種方法是將LED通以較大的工作電流(如30mA、40mA、50mA，60mA、70mA、80mA)進(jìn)行老化。在這種情況下，其相對(duì)光功率隨時(shí)間的衰減曲線如下圖所示。§8.2LED壽命測(cè)試方法二、LED壽命測(cè)試方法3.普通條件外推法

普通條件外推法在理論上是可行的，用普通條件外推法來(lái)計(jì)算LED的壽命時(shí)，測(cè)量周期太長(zhǎng)。所以在實(shí)際測(cè)量中一般不采用這種方法，而是采用溫度加速老化法和電流加速老化法。§8.2LED壽命測(cè)試方法三、白光LED壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)于白光LED與前者所不同的是：（1）發(fā)光材料由藍(lán)光LED芯片和涂在其上的熒光粉構(gòu)成；（2）藍(lán)光LED芯片的GaN與其襯底之間的位錯(cuò)密度比紅外

LED和早期LED要高出許多；（3）白光LED可靠性隨芯片的類(lèi)型和封裝結(jié)構(gòu)及用料而不同?！?.2LED壽命測(cè)試方法三、白光LED壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)1.試驗(yàn)樣品選擇試驗(yàn)器件應(yīng)是同一類(lèi)型，取自同一生產(chǎn)線中，包括管殼結(jié)構(gòu)、封裝材料、芯片結(jié)構(gòu)、封裝工藝完全相同?？紤]到器件要在高溫下試驗(yàn)，芯片與管殼底盤(pán)采用高溫焊料共晶焊連接，熒光粉用硅膠調(diào)配。并全部用硅膠灌封，由硅膠自然形成的拱形球面取代玻璃透鏡，以防止因“分層”而引起的光衰，且耐高溫?！?.2LED壽命測(cè)試方法三、白光LED壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)2.失效判據(jù)考慮到白光功率LED光通量的衰減，一個(gè)白光功率LED照明光源的有效壽命可以采用兩種判據(jù)：一種是在25℃的環(huán)境溫度時(shí)光通量衰減到初始值的50％的工作時(shí)間；另一種是在同樣工作條件下光通量衰減到初始值70％的工作時(shí)間?！?.2LED壽命測(cè)試方法三、白光LED壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)3.加速試驗(yàn)應(yīng)力摸底為摸清試驗(yàn)樣管所能承受的最高溫度，用30支經(jīng)過(guò)篩選的樣管，分為6組，每組5支，測(cè)試其350mA的初始光通量后。分別放入烘箱中，恒溫、加電摸底試驗(yàn)，加電的恒定電流均為350mA?！?.3LED失效分析一.LED的主要失效現(xiàn)象1.LED的失效類(lèi)別：①?lài)?yán)重失效：關(guān)鍵的光電參數(shù)改變至LED不能點(diǎn)亮的程度。②參數(shù)失效：關(guān)鍵光電參數(shù)由初始值改變至超過(guò)規(guī)定的程度?！?.3LED失效分析二.LED的失效模式1.失效模式（1）芯片失效：指芯片本身失效或其他原因造成芯片失效，從而引發(fā)LED失效。（2）封裝失效：指封裝設(shè)計(jì)或生產(chǎn)工藝不當(dāng)而引發(fā)LED失效。（3）熱過(guò)應(yīng)力失效：指由于發(fā)生周期性熱量變化或LED內(nèi)部溫度超過(guò)最大額定值而引發(fā)LED失效?！?.3LED失效分析（4）電過(guò)應(yīng)力失效：指由于承受了超過(guò)額定的電參數(shù)條件或過(guò)高的瞬態(tài)電流而引發(fā)LED失效。（5）裝配失效：指實(shí)際使用過(guò)程中由于裝配不當(dāng)而引發(fā)LED失效。

在以上五種失效模式當(dāng)中，任何一種模式起作用，都會(huì)引發(fā)LED不同程度的失效，同時(shí)可能連帶引發(fā)其他模式起作用，從而加劇LED的失效?！?.3LED失效分析二.LED的失效模式2.固有可靠性和應(yīng)用可靠性

元器件的可靠性由固有可靠性和應(yīng)用可靠性兩部份組成：（1）固有可靠性是指出廠前的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中決定的元器件本身具有的可靠性特性；（2）應(yīng)用可靠性是指元器件交付使用后，由于電路的工作條件、環(huán)境條件、人為因素等引發(fā)的可靠性問(wèn)題的特性。§8.3LED失效分析三.影響LED可靠性的主要因素

LED在實(shí)際使用過(guò)程中，芯片不良會(huì)導(dǎo)致LED直接失效。環(huán)境溫度的變化和LED發(fā)熱在封裝結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力會(huì)破壞芯片、金線和電極引腳之間的連接，造成裂痕、機(jī)械性脫落或金線斷裂，導(dǎo)致LED失效。

§8.4改善LED可靠性的關(guān)鍵技術(shù)

1.LED的散熱路徑

LED芯片有源層（發(fā)光區(qū)）產(chǎn)生的熱量，通過(guò)以下三條路徑消散：①

芯片→熒光粉膠層→灌封硅膠→透鏡/管體→環(huán)境②

芯片→金線→電極引腳/管體→環(huán)境③

芯片→固晶膠→熱沉→粘合膠→鋁板→環(huán)境其中第1、2條路徑消散的熱量有限，大部分的熱量是通過(guò)第3條路徑消散的，它是LED散熱的主要路徑?！?.4改善LED可靠性的關(guān)鍵技術(shù)

2.散熱通道分析（1）好的散熱通道應(yīng)該具備以下條件：①

通道盡可能短，環(huán)節(jié)盡可能少；②

通道材料具有較高的熱傳導(dǎo)能力，即熱傳導(dǎo)系數(shù)較高；③

通道物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力連續(xù)匹配，避免在通道中形成散熱瓶頸；④

與環(huán)境接觸的材料熱消散速度快?！?.4改善LED可靠性的關(guān)鍵技術(shù)

四.封裝材料與機(jī)械應(yīng)力的防范在大功率LED封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充透明度高的、低應(yīng)力的柔性硅膠，在硅膠承受的溫度范圍內(nèi)（一般為-40~120℃），膠體不會(huì)因溫度驟然變化而