半导体照明技术：第十四章发光二极管的可靠性

1、第十四章 发光二极管的可靠性发光二极管的可靠性 较之传统的LED，照明LED的输入功率更大，应用环境和条件更加恶劣和严苛，这对LED的可靠性提出了更高的要求。 发光二极管的可靠性是指它们对热、电、机械等应力的承受能力。 可靠性必须进行大量的试验或调查研究，才能对产品的可靠度、失效率、寿命特征进行统计和估算。14.1.1 可靠性的含义 含义含义：产品在规定条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。 规定的条件不同，产品的可靠性也不同。规定的规定的条件条件包括：环境条件、负荷大小、工作方式和使用方式等。 一般情况下，温度越高，额定负荷越大，产品可靠性就越低。同时，产品可靠性随着时间的推移而降低。1

2、4.1.2 可靠性的定义 在实际工作中，一个发光二极管由于各种偶然的因素而失效，具有一定的随机性。但大量的样品的失效统计具有规律性。 当投入实验的样品充分大时，在某个时刻t时，失效的样品数m（t）与试验样品数n的比值，失效发生的概率，具有一定的规律。 将可靠性用概率表示时为可靠度R： 把抽象的可靠性用数学形式的概率表示，这就是可靠性技术发展的出发点ntmntPtR)()()(14.1.3 LED可靠性的相关概念 失效：执行规定功能（如光通量、发光效率、正向压降、反向漏电流等）的能力的终止 严重失效：关键的光电参数改变至LED不能点亮的程度。 参数失效：关键的光电参数由初始值改变至超过一定程度。

3、 失效率（）：单位工作时间内LED严重失效数的百分比14.1.3 LED可靠性的相关概念 大量的实验发现，LED的失效随时间的统计分布规律呈浴盆状 段，又称随机失效阶段。失效率很低且很稳定，近似为常数，器件失效往往带偶然性，为使用最佳期。 第三阶段：损耗失效阶段。失效率明显上升，大部分器件相继出现失效。 第一阶段：早期失效或老化阶段。失效发生在产品使用的初期，失效率较高，随工作时间的延长而迅速下降。 第二阶段：有效寿命阶 可靠性：产品在规定的条件规定的条件下和规定的时间规定的时间内，完成规定功能的能力 工作条件 规定时间：同一工作条件下，保持的时间越长，可靠性越高 可靠性=固有可靠性+应用可靠

4、性14.1.3 LED可靠性的相关概念环境条件负荷条件工作方式气候环境机械环境：电、热、力等应力条件：连续工作、间断工作、存储状态14.1.3 LED可靠性的相关概念 平均无故障时间（MTTF）=1/, 为失效率 与MTTF示例：1M器件小时=0.1%（每1000小时） 在不同的温度上估算失效率 Ea为激活能，一般取0.43eV, K为玻尔兹曼常数, T为绝对温度 系数可靠度： n个同样器件组成的系统：)11(exp2112TTKEa)(exp)(ttRinttR exp)(14.1.3 LED可靠性的相关概念l寿命是定量表征LED可靠性的一物理量。在某一个特定LED个体发生失效之前，难以标明

5、其确切的寿命值。l但明确了某一批LED产品的失效率特征后，就可以得到表征其可靠性的若干寿命特征量，如平均寿命、可靠寿命、中位寿命、特征寿命等。14.1.3 LED可靠性的相关概念1 MTTFl 平均寿命：指一批电子器件产品寿命的平均值l平均寿命是电子器件最常用的一种寿命特征量l可靠寿命TR：一批电子器件产品的可靠度下降到r时，所经历的工作时间rTnln14.1.3 LED可靠性的相关概念l中位寿命：产品的可靠度R(t)降为50%时的寿命l特征寿命：产品的可靠度R(t)降为1/e时的寿命lLED的寿命：业界通常以“半衰期”即光输出下降到起始值50%或70%时的时间作为LED的寿命5 . 0ln5

6、 . 0T14.2 LED的失效分析LED失效机理：影响固有可靠性 a. 封装失效b. 芯片失效lLED失效分析表如216页表14-2所示影响应用可靠性 c. 电过应力失效d. 热过应力失效e. 装配失效l 一方面要努力提高LED的固有可靠性，最大限度地消除来自于应用端的不利因素l 另一方面还要悉心指导应用端用好LED，以提高LED的应用可靠性。14.2.1芯片的退化退化机理退化机理：体发光效率的退化体发光效率的退化和PN结空间电荷层中结空间电荷层中的复合增加造成的注入效率的退化的复合增加造成的注入效率的退化。l 发光效率的退化：非辐射复合中心的增加、晶体缺陷的产生、表面的劣化等。l空间电荷层

7、中的非辐射复合是一种重要的退化机制。这种退化形式明显的表现在I-V特性的老化上。l非辐射复合主要由杂质、弗兰克尔缺陷、化学计量比偏离、位错等引起。上述现象能在带隙中形成深能级。14.2.1芯片的退化退化因素示例退化因素示例： 快扩散的重金属离子的影响是其中之一。典型的例子是铜污染的LED器件，发光效率下降速度很快。 沿方向的位错网络是造成砷化镓激光器和磷化镓绿色LED退化的原因。 非辐射的俄歇复合是材料体发光效率退化的典型例子。 发光中心浓度（如Zn-O浓度）的降低也是体发光效率退化的重要原因。 光照、电子束轰击都可能增强缺陷的扩散，造成器件性能的退化，另外，表面玷污、损伤等也是重要原因14.

8、2.2 环氧系塑料的寿命分析 环氧系塑料在高温环境中的光透过率随时间近似呈线性下降。 波长越长，环氧系塑料随高温的劣化越严重。 示例:环氧树脂进行封装的样品工作6000小时后，光通量仅为原来的50%，退化主要是光照和温升引起的光透过率的劣化。14.2.3 管芯的寿命分析 器件光输出随时间的变化可粗略表示成指数关系： F0和F分别为起始光输出和经时间t后的光输出。为时间常数： =/is is为通过器件的电流密度， 为常数，=106h.A/cm2 is越大，LED结温就越大，光衰就越严重。)/exp(0tFF14.2.4 荧光粉的退化 研究表明：荧光粉的劣化是寿命缩短的原因，同时，荧光粉与芯片的距

9、离是影响其光衰的重要因素。 猝灭温度高的荧光粉可以一定程度上降低光衰幅度。 荧光粉粒径越小，在LED中的荧光粉的光衰就越小 荧光粉粒径均匀性也对白光光衰程度产生明显的影响14.3 可靠性试验 按照试验项目分为环境试验和寿命试验（参考225226页） 小功率LED环境试验：热的环境试验和机械的环境试验（226页表14-3和14-4） 功率LED环境试验：试验条件更为复杂，条件更为苛刻（227页表14-5示例）14.4 寿命试验LED寿命测试方法寿命测试方法 确定器件的可靠性和寿命原则上应在特定的工作条件下(电流、功率、温度等) 对器件进行考核，直至器件失效。 对于高可靠性的电子元器件进行长时间的

10、寿命试验，无论从成本还是时间上来看，都是不合算的，甚至是不可能的。 例如对于某器件，如果要求其失效率为2.1610-8/h，抽取1000只进行试验，若允许5只失效，则需试验22年。 在如此长的时间内去监测LED光输出，采集数据显然是不现实的。14.4 寿命试验加速寿命试验加速寿命试验 LED最大的优点就是它的长寿命，可达50000至100000h，一般的寿命试验已无法对其平均寿命进行评估，业界一般采用加速法来加速LED光衰减，预测LED寿命，即用较短的时间加速老化预测LED寿命。LED寿命加速试验的目的寿命加速试验的目的 在较短时间内用较少的LED估计高可靠LED的可靠性水平； 运用外推的方法

11、快速预测LED在正常条件下的可靠度； 在较短时间内提供试验结果，检验工艺； 在较短时间内暴露LED的失效类型及形式，便于对失效机理进行研究，找出失效原因； 淘汰早期失效产品，测定LED的极限使用条件。14.4 寿命试验温度加速寿命测试法温度加速寿命测试法l由于通常LED寿命达到10万小时左右，因此要测得其常温下的寿命时间太长，因此采用加速寿命的方法。l根据高温加速寿命得的结果外推其他温度下的寿命。lLED温度加速老化寿命测试原理是基于Arrhenius 模型，利用该模型可以发现由温度应力决定的反应速度的依赖关系 式中L为寿命，Ea为激活能，A为常数，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。 KTEA

12、Laln14.4 寿命试验温度加速寿命测试法温度加速寿命测试法l某一批次器件的Ea可看出近似相同。l如果已知道同一批样品在某两个温度下工作的寿命，则可以推算出激活能Ea，则可由以下公式推知在其它温度下的寿命 l由于器件向失效发展的机理不同，其能量势垒的高度也不同，所以其激活能量值Ea也不一样，就像其它半导体器件一样，根据激活能量值Ea推出失效机理，据此改进器件设计和生产工艺。121211expTTKELLa14.4 寿命试验电流加速寿命测试法电流加速寿命测试法l这种方法是将LED通以较大的工作电流(如30500mA)进行老化l在这种情况下，其相对光功率随时间的衰减曲线如图所示。Thin Sol

13、id Films 483 (2005) 37838114.4 寿命试验电流加速寿命测试法电流加速寿命测试法l从图中可以看到，当驱动电流较小时，在老化的初始阶段衰减幅度较小。l当相对光功率衰减到P/P00.80.9以后，相对光输出功率与老化时间之间满足关系式: 其中是拟合直线的斜率，它与驱动电流无关是一个常数 P0初始的光功率， t0与电流大小有关)/ln(1/00ttaPP14.4 寿命试验普通条件外推法普通条件外推法 l当LED通过一定的电流时，认为它的光强随时间的衰减满足一定的指数关系l其中Bt为老化t小时后的亮度，B0为LED的初始亮度，而为与LED和电流值有关的常数。)/exp(0tBBt14.4 寿命试验普通条件外推法普通条件外推法 l通常把亮度降到Bt=0.5B0所经历的时间T称为LED的寿命。测定T要花很长的时间，通常以推算求得寿命。l 在实际的测量过程中，给LED通额定工作电流恒流源，点燃t1小时(其中t1一般为1000-10000小时之间)。先后测得Bt，