LED封裝可靠性和壽命分析

LED封裝可靠性和

壽命分析

鐘群博士深圳中景科創(chuàng)光電科技有限公司白光LED器件發(fā)光效率的發(fā)展和預(yù)測(cè)白光LED同傳統(tǒng)照明光源的比較LampTypePower（W）LuminousEfficacy（lm/W）SystemL/E（lm/W）Lifetime（khrs）CRI（%）Incandescent15107298-100Incandescent601510198-100Tungsten-halogen10129398-100Tungsten-halogen501812298-100FluorescentTube2880481050-90FluorescentTube5890541250-90CompactFluorescentLamp55025865-88CompactFluorescentLamp157035565-88MetalHalide7575401570-85MetalHalide400100501070-85HighPressureSodiumVapor400110-14050-642025LED（2010）n/a120755080-90LED（2012）n/95LED照明光源的環(huán)保特性輸入功率轉(zhuǎn)化為：白熾燈熒光燈金鹵燈白光LED（120lm/W)白光LED（240lm/W)可見光輻射能量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)DIPLED&PiranhaSMDLEDLEDDisplayHighPowerLED如何理解LED照明的壽命？同LED器件,電源,以及所有配件的壽命有關(guān)壽命同可靠性有關(guān)，或者說(shuō)同上述所有零部件的失效有關(guān)：

R(t)=1–P(t)

R(t)：可靠性幾率

P(t)：失效幾率

t：時(shí)間

平均失效時(shí)間MTTFMTTF=MeanTimeToFailure可靠性幾率同失效率λ成指數(shù)關(guān)系

R(t)=exp(-λt)

MTTF和失效率成反比

MTTF=1/λ壽命同MTTF成正比關(guān)系,和失效率成反比關(guān)系實(shí)例分析中景LED器件的MTTF可達(dá)108devicehrs；單個(gè)器件使用10000小時(shí)的可靠性幾率：

R(t)=exp{-10000/108} =exp{-10-4} =99.99%

失效幾率P（t）=1-R(t）

=0.01%or100ppm

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，比如開路，短路，不亮等LED的B-壽命的理解同B-壽命相關(guān)的失效機(jī)理是CatastrophicFailure（崩潰失效）LED的崩潰失效有：開路或短路滅光（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LED器件的B-壽命，則LED器件的壽命非常長(zhǎng)，即使B-10都能超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)。事實(shí)上，LED器件的B-10壽命必須同L-壽命結(jié)合起來(lái)考慮。LED的L-壽命的理解同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。LED的正常情形（非失效原因）的光衰同下述原因有關(guān)：芯片結(jié)構(gòu)

LED芯片PN結(jié)溫工作電流根據(jù)美國(guó)ASSIST（AllianceforSolid-stateIlluminationSystemsTechnologies)的建議，L-壽命以LED光通下降到初始70%為界限，記為L(zhǎng)-70。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L-80；裝飾性燈光工程可以采用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LEDPN結(jié)界面的陡性，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)。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；在老化測(cè)試中，最先1000小時(shí)被認(rèn)為是無(wú)效的。影響LED器件可靠性的主要因素封裝材料的光熱穩(wěn)定性和應(yīng)力：應(yīng)力小：熱膨脹或收縮系數(shù)比較小玻璃化溫度（Tg）影響上述系數(shù)高透光率而且無(wú)黃變耐熱耐紫外無(wú)吸濕性硅膠和環(huán)氧樹脂的性能比較硅膠針對(duì)不同波長(zhǎng)的透光率耐溫實(shí)驗(yàn)紫外穩(wěn)定性L-壽命---同LEDPN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)（8.617x10-5eV/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InGaN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)（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)熱差熱阻計(jì)算公式：其中：σ代表導(dǎo)熱系數(shù)L：代表導(dǎo)熱距離A：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)LED器件或LED燈具的從芯片PN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。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)量點(diǎn)散熱銅柱（Slug）上的溫度貼片LED的引腳上（SolderingPoint）的溫度封裝底座上的溫度（Substrate)上的溫度LED模組上MCPCB（金屬基PCB）的溫度電源外殼溫度電源基座溫度TMP的測(cè)試示意圖LED器件的壽命評(píng)估---IESNALM80標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)新出臺(tái)的IESNALM80-08標(biāo)準(zhǔn)約定6000小時(shí)的老化測(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)WeibullDistribution其中：β是無(wú)量綱，修正曲線的形狀；

λ是失效率；

t是時(shí)間。LifetimeExtrapolationⅠ（20mAonsinglechip）LifetimeExtrapolationⅡ（40mAonsinglechip）

L70和Tj的關(guān)系

LifetimeEstimationandAnalysisLED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)：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），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LED芯片的壽命LED封裝材料對(duì)光