可靠性-LED加速老化壽命試驗(yàn)方法概論

、可靠性理論基礎(chǔ).可靠度：如果有N個(gè)LED產(chǎn)品從開始工作到t時(shí)刻的失效數(shù)為n(t),當(dāng)N足夠大時(shí)，產(chǎn)品在t時(shí)刻的可靠度可近似表示為:隨時(shí)間的不斷增長(zhǎng),將不斷下降。它是介于1與0之間的數(shù)，即0-^-]o.累積失效概率：表示發(fā)光二極管在規(guī)定條件下工作到t這段時(shí)間內(nèi)的失效概率，用F(t)表示，又稱為失效分布函數(shù).如果N個(gè)LED產(chǎn)品從開始工作到t時(shí)刻的失效數(shù)為n(t),則當(dāng)N足夠大時(shí)，產(chǎn)品在該時(shí)刻的累積失效概率可近似表示為： 拉.失效分布密度：表示規(guī)定條件下工作的發(fā)光二極管在t時(shí)刻的失效概率。失效分布函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)稱為失效分布密度，其表達(dá)式如下：F(t+也￡)—F?)=&—R(t+M)在時(shí)間間隔&內(nèi)的平均為：JAt,布在4->口，n—>oa極限情況下，瞬時(shí)失效率為:鼻(t)鼻(t)二一曲t)

dt?早期失效期；偶然失效期(或穩(wěn)定使用期)?耗損失效期。二、壽命老化：LED發(fā)光亮度隨著長(zhǎng)時(shí)間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān),A=弊expi可描述為： rBt為t時(shí)間后的亮度，B。為初始亮度。通常把亮度降到斗=0。5B。所經(jīng)歷的時(shí)間t稱為二極管的壽命.lo平均壽命如果已知總體的失效分布密度f(t)，則可得到總體平均壽命的表達(dá)式如下:.可靠壽命可靠壽命Tr是指一批LED產(chǎn)品的可靠度下降到r時(shí)，所經(jīng)歷的工作時(shí)間。Tr可由R(TR)=r求解,假如該產(chǎn)品的失效分布屬指數(shù)分布規(guī)律，貝小五區(qū))=產(chǎn)=r即可求得五區(qū))=產(chǎn)=r即可求得Tr如下:—InrA.中位壽命對(duì)于指數(shù)分布情中位壽命T05指產(chǎn)品的可靠度R(t)降為50%時(shí)的可靠壽命，即:對(duì)于指數(shù)分布情t-ln0.5小=一；一況，可得： 工二、LED壽命測(cè)試方法LED壽命加速試驗(yàn)的目的概括起來有：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1.溫度加速壽命測(cè)試法由于通常LED壽命達(dá)到10萬小時(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。4「乂 且aInjL=^4+ TOC\o"1-5"\h\z利用該模型可以發(fā)現(xiàn)由溫度應(yīng)力決定的反應(yīng)速度的依賴關(guān)系，即 "式中L為壽命，Ea為激活能,A為常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。因此測(cè)試溫度應(yīng)有兩個(gè)，即還需測(cè)得另一個(gè)溫度丁2下器件壽命為I2?？梢郧蟮眉せ钅蹺a。樣便可以求得溫度RXPI、馬「 -1占盟唁）[￡考2 4=4回建丁彳）匕對(duì)某溫度丁3下的加速系數(shù)J： 烏 。有： L5 1J可見實(shí)驗(yàn)需要測(cè)得同一批器件在兩個(gè)不同溫度下的壽命，然后推得其他溫度下的壽命.這就要求被測(cè)器件的數(shù)量應(yīng)足夠多，才能避免個(gè)性影響，而得到共性,即得到統(tǒng)計(jì)壽命值才真實(shí).LED從正常狀態(tài)進(jìn)入劣化狀態(tài)的過程中，存在能量勢(shì)壘，躍過這個(gè)勢(shì)壘所需要的能量必須由外部供給，這個(gè)能量勢(shì)壘就稱為激活能。檄活能與加速系藪的關(guān)系川可以看出，激活能越大曲線傾斜越大，與溫度關(guān)系越密切，加速系數(shù)越大，溫度越高加速系數(shù)越大.由于器件向失效發(fā)展的機(jī)理不同，其能量勢(shì)壘的高度也不同，所以其激活能量值Ea也不一樣就像其它半導(dǎo)體器件一樣，根據(jù)激活能量值一Ea.推出失效機(jī)理.，據(jù)此改進(jìn)器件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝。某一批次器件的Ea可看出近似相同。2。電流加速壽命測(cè)試法

11nD11nDD.n.o.n.相對(duì)光功率0 1001000 5小時(shí)0 100相對(duì)光功率隨時(shí)間的衰減曲線圖從圖中可以看到，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流較小時(shí)，在老化的初始階段衰減幅度較小。當(dāng)相對(duì)光功率衰減到P/Po<0.8-0.9以后，相對(duì)光輸出功率與老化時(shí)間之間滿足關(guān)系式:1一F/品=應(yīng)出■ 1（1）其中a是擬合直線的斜率，它與驅(qū)動(dòng)電流無關(guān)是一個(gè)常數(shù)為0.27,將t0定義為P/PQ=1時(shí)的點(diǎn)，它是與電流強(qiáng)度的大小有關(guān)，可表不為：（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到藍(lán)光LED的經(jīng)驗(yàn)值：工=43x1。％戶=2.7尸（2）將（1）式進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q可以得到：％T （3）￡-273xxlO7聯(lián)立（2）、（3）就可以計(jì)算出輸出功率衰減到一半時(shí)（即P/P0=0.5）的壽命： F'F（4）*驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度，單位為mA；tF為老化時(shí)間,單位為小時(shí).以40mA為例，利用公式通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)電流為40mA時(shí)的壽命來推導(dǎo)LED在驅(qū)動(dòng)電流為20mA時(shí)的壽命。假設(shè)我們己經(jīng)測(cè)得測(cè)量驅(qū)動(dòng)電流為40mA時(shí)的壽命為,則驅(qū)動(dòng)電流為20mA時(shí)的壽命為：%雙=￡式*%雙=￡式*3120/40?-2.7也就是說，驅(qū)動(dòng)電流為20mA時(shí)的壽命為驅(qū)動(dòng)電流為40mA時(shí)的壽命的6.498倍。*301為*50）的ILX7倍；U%201為*an的42倍;餐知為餐to］的29-443倍;*201為％孫的5&003倍;%201為％L皿的99-T65倍。a3。普通條件外推法當(dāng)LED通過一定的電流時(shí)，認(rèn)為它的光強(qiáng)隨時(shí)間的衰減滿足一定的指數(shù)關(guān)系，如下圖所示.

亮度4隨t的變化曲線口其中）為老化t小時(shí)后的亮度，B。為L(zhǎng)ED的初始亮度，而工為與LED和電流值有關(guān)的常數(shù)。通常把亮度降到斗=0。5B。所經(jīng)歷的時(shí)間T稱為L(zhǎng)ED的壽命。測(cè)定T要花很長(zhǎng)的時(shí)間，通常以推算求得壽命。在實(shí)際的測(cè)量過程中，給LED通額定工作電流20mA恒流源，點(diǎn)燃1小時(shí)（其中1一般為1000-10000小時(shí)之間）。B兩尸先后測(cè)得斗B。,將這些數(shù)據(jù)代入就可以求得常數(shù)工，再把斗=0。5B0,這樣就可以求得壽命T。造成功率LED光衰的應(yīng)力主要來自于結(jié)溫的影響，因此對(duì)白光LED壽命的測(cè)試采用溫度作為恒定加速應(yīng)力比較合適。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25C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。3.加速試驗(yàn)應(yīng)力摸底烘箱恒定溫度Ta分別為85°C、125℃>150℃>165℃>175℃>185℃。恒定時(shí)間96小時(shí)取出樣管。恢復(fù)1小時(shí)，再逐支測(cè)LED的光通量。摸底試驗(yàn)結(jié)果表明：在125C以下光通量在有限的時(shí)間內(nèi)幾乎沒有變化，從150C開始略有變化.直至185C下出現(xiàn)有1支樣品管光衰較大。由此選定165℃和175℃、185℃>350mA、96-180小時(shí)作為恒定加速應(yīng)力的試驗(yàn)條件.4o實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理F二片曲［一向1由阿侖尼斯模型給出計(jì)算不同結(jié)溫的期望工作壽命和激活能的公式： ⑴P。為初始光通量；P為加溫加電后的光通量；B為某一溫度下的衰退系數(shù)：t為某一溫度下的加電工作時(shí)間;由阿侖尼斯模型給出計(jì)算不同結(jié)溫的期望工作壽命和激活能的公式:產(chǎn)=現(xiàn)及巳?。ㄒ粸楫a(chǎn)由阿侖尼斯模型給出計(jì)算不同結(jié)溫的期望工作壽命和激活能的公式:產(chǎn)=現(xiàn)及巳?。ㄒ粸楫a(chǎn)c(2)4=雪+日，F(xiàn)與y8。為常數(shù)；Ea為激活能;k為波耳茲曼常數(shù)；*為工作電流；4=雪+日，F(xiàn)與y（3） Tc為殼溫；VF為正向電壓；Rj-c為結(jié)到殼的熱阻。1。LED的失效類別:

led的主要失效現(xiàn)象序號(hào)1失效現(xiàn)象失效類別，1， 開路式短路/ 嚴(yán)重失效產(chǎn)如 在正常測(cè)試條件下光輸出中止產(chǎn)嚴(yán)重失效」3， 閃爍戶 嚴(yán)重失效產(chǎn) 甲正常光技(壽命變短士 參數(shù)失效-色移。 參數(shù)失效o6二 光指向性變壞? 參數(shù)失效平 電參數(shù)(9或IQ變壞它 參數(shù)失效上結(jié)構(gòu)受損產(chǎn) 嚴(yán)重/參數(shù)失效甲Lxx封裝S型產(chǎn)品主散熱通道各種材料的導(dǎo)熱能力對(duì)比名稱芯片?有源層/倒裝焊球襯鼠固晶膠1熱沉粘合膠n散熱揄材料InGaNPbSu銀膠口Co導(dǎo)熱膠尹A1導(dǎo)熱系教1如50L5T)40140"工保237根據(jù)阿侖尼斯模型給出計(jì)算不同結(jié)溫的期望工作壽命和激活能的公式P=POexp(—pt)P=P