LED可靠性與測試技術

LED可靠性與測試技術12機電332

胡桂

LED可靠性與測試技術1可靠性理論基礎2LED壽命測試方法3LED失效分析4改善LED可靠性的關鍵技術LED可靠性與測試技術

LED要進入照明領域，其可靠性是人們關注的一大焦點。

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

必須仔細研究LED的失效現象，分析其失效機理，找出影響LED可靠性的關鍵因素?！?可靠性理論基礎所謂的可靠性有廣義和狹義兩種解釋：狹義可靠性是指“產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力”，也就是說，在規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的可能性或概率。廣義可靠性是指產品在整個壽命周期內完成規(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LED可靠性研究主要是為了：（1）確定LED的失效機制；（2）測試LED的壽命；（3）通過恰當的老化技術來提高LED的可靠性；（4）通過改進器件設計和工藝技術來提高LED的可靠性；（5）通過設備和系統(tǒng)改進來提高LED的可靠性。§1可靠性理論基礎一、可靠度根據可靠性的定義，說明對于LED在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，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(稱為失效)。這應屬于一種隨機事件。描述這種隨機事件的概率可用來作為表征LED可靠性的特征量和特征函數，即用概率來表征發(fā)光二極管完成規(guī)定功能能力的大小?！?可靠性理論基礎二、累積失效概率

顯然R（t）+F（t）=1，與隨時間的變化曲線如下圖所示?！?可靠性理論基礎三、失效分布密度

R(t)

，F(t)，

f(t)三者之間的關系如下圖所示：§1可靠性理論基礎四、失效率

失效率λ（t）也稱為產品的瞬時失效率，是表征發(fā)光二極管的可靠性數量的重要標志。

在實際工作中，人們最關心的是在t時刻還在正常工作的產品中，在t時刻后的Δt時間間隔內(t+Δt)還有多少百分比的產品失效，這就是瞬時失效率的概念?！?可靠性理論基礎五、浴盆形失效率函數

經過不斷的實驗發(fā)現，LED的失效隨時間的統(tǒng)計分布規(guī)律呈浴盆狀?！?LED壽命測試方法一、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)計的概念，因此，在某一個特定LED個體發(fā)生失效之前，難以標明其確切的壽命值。但明確了某一批LED產品的失效率特征后，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壽命測試方法二、LED壽命測試方法LED壽命加速試驗的目的概括起來有：在較短時間內用較少的LED估計高可靠LED的可靠性水平運用外推的方法快速預測LED在正常條件下的可靠度；在較短時間內提供試驗結果，檢驗工藝；在較短時間內暴露LED的失效類型及形式，便于對失效機理進行研究，找出失效原因；淘汰早期失效產品，測定元LED的極限使用條件。§8.2LED壽命測試方法二、LED壽命測試方法1.溫度加速壽命測試法由于通常LED壽命達到10萬小時左右，因此要測得其常溫下的壽命時間太長，因此采用加速壽命的方法。根據高溫加速壽命得的結果外推其他溫度下的壽命。LED溫度加速老化壽命測試原理是基于Arrhenius模型。§8.2LED壽命測試方法二、LED壽命測試方法2.電流加速壽命測試法這種方法是將LED通以較大的工作電流(如30mA、40mA、50mA，60mA、70mA、80mA)進行老化。在這種情況下，其相對光功率隨時間的衰減曲線如下圖所示?！?.2LED壽命測試方法二、LED壽命測試方法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計算LED的壽命時，測量周期太長。所以在實際測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壽命測試方法三、白光LED壽命測試實驗對于白光LED與前者所不同的是：（1）發(fā)光材料由藍光LED芯片和涂在其上的熒光粉構成；（2）藍光LED芯片的GaN與其襯底之間的位錯密度比紅外

LED和早期LED要高出許多；（3）白光LED可靠性隨芯片的類型和封裝結構及用料而不同?！?.2LED壽命測試方法三、白光LED壽命測試實驗1.試驗樣品選擇試驗器件應是同一類型，取自同一生產線中，包括管殼結構、封裝材料、芯片結構、封裝工藝完全相同?？紤]到器件要在高溫下試驗，芯片與管殼底盤采用高溫焊料共晶焊連接，熒光粉用硅膠調配。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壽命測試方法三、白光LED壽命測試實驗2.失效判據考慮到白光功率LED光通量的衰減，一個白光功率LED照明光源的有效壽命可以采用兩種判據：一種是在25℃的環(huán)境溫度時光通量衰減到初始值的50％的工作時間；另一種是在同樣工作條件下光通量衰減到初始值70％的工作時間?！?.2LED壽命測試方法三、白光LED壽命測試實驗3.加速試驗應力摸底為摸清試驗樣管所能承受的最高溫度，用30支經過篩選的樣管，分為6組，每組5支，測試其350mA的初始光通量后。分別放入烘箱中，恒溫、加電摸底試驗，加電的恒定電流均為350mA?！?.3LED失效分析一.LED的主要失效現象1.LED的失效類別：①嚴重失效：關鍵的光電參數改變至LED不能點亮的程度。②參數失效：關鍵光電參數由初始值改變至超過規(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：指封裝設計或生產工藝不當而引發(fā)LED失效。（3）熱過應力失效：指由于發(fā)生周期性熱量變化或LED內部溫度超過最大額定值而引發(fā)LED失效?！?.3LED失效分析（4）電過應力失效：指由于承受了超過額定的電參數條件或過高的瞬態(tài)電流而引發(fā)LED失效。（5）裝配失效：指實際使用過程中由于裝配不當而引發(fā)LED失效。

在以上五種失效模式當中，任何一種模式起作用，都會引發(fā)LED不同程度的失效，同時可能連帶引發(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.固有可靠性和應用可靠性

元器件的可靠性由固有可靠性和應用可靠性兩部份組成：（1）固有可靠性是指出廠前的設計制造過程中決定的元器件本身具有的可靠性特性；（2）應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在實際使用過程中，芯片不良會導致LED直接失效。環(huán)境溫度的變化和LED發(fā)熱在封裝結構中產生的機械應力會破壞芯片、金線和電極引腳之間的連接，造成裂痕、機械性脫落或金線斷裂，導致LED失效。

§8.4改善LED可靠性的關鍵技術

1.LED的散熱路徑

LED芯片有源層（發(fā)光區(qū)）產生的熱量，通過以下三條路徑消散：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第3條路徑消散的，它是LED散熱的主要路徑。§8.4改善LED可靠性的關鍵技術

2.散熱通道分析（1）好的散熱通道應該具備以下條件：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能力，即熱傳導系數較高；③

通道物質的熱傳導能力連續(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可靠性的關鍵技術

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