LED可靠性与测试技术

LED可靠性与测试技术12机电332

胡桂

LED可靠性与测试技术1可靠性理论基础2LED寿命测试方法3LED失效分析4改善LED可靠性的关键技术LED可靠性与测试技术

LED要进入照明领域，其可靠性是人们关注的一大焦点。

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。

必须仔细研究LED的失效现象，分析其失效机理，找出影响LED可靠性的关键因素。§1可靠性理论基础所谓的可靠性有广义和狭义两种解释：狭义可靠性是指“产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力”，也就是说，在规定的时间内完成规定功能的可能性或概率。广义可靠性是指产品在整个寿命周期内完成规定功能的能力，它包括狭义可靠性和维修性。§1可靠性理论基础LED可靠性研究主要是为了：（1）确定LED的失效机制；（2）测试LED的寿命；（3）通过恰当的老化技术来提高LED的可靠性；（4）通过改进器件设计和工艺技术来提高LED的可靠性；（5）通过设备和系统改进来提高LED的可靠性。§1可靠性理论基础一、可靠度根据可靠性的定义，说明对于LED在规定的条件下和规定的时间内，可能具有完成规定功能的能力，也可能丧失了完成规定功能的能力(称为失效)。这应属于一种随机事件。描述这种随机事件的概率可用来作为表征LED可靠性的特征量和特征函数，即用概率来表征发光二极管完成规定功能能力的大小。§1可靠性理论基础二、累积失效概率

显然R（t）+F（t）=1，与随时间的变化曲线如下图所示。§1可靠性理论基础三、失效分布密度

R(t)

，F(t)，

f(t)三者之间的关系如下图所示：§1可靠性理论基础四、失效率

失效率λ（t）也称为产品的瞬时失效率，是表征发光二极管的可靠性数量的重要标志。

在实际工作中，人们最关心的是在t时刻还在正常工作的产品中，在t时刻后的Δt时间间隔内(t+Δt)还有多少百分比的产品失效，这就是瞬时失效率的概念。§1可靠性理论基础五、浴盆形失效率函数

经过不断的实验发现，LED的失效随时间的统计分布规律呈浴盆状。§2LED寿命测试方法一、寿命寿命是定量表征LED可靠性的又一物理量。由于可靠性是一种统计的概念，因此，在某一个特定LED个体发生失效之前，难以标明其确切的寿命值。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。§8.2LED寿命测试方法二、LED寿命测试方法LED寿命加速试验的目的概括起来有：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，测定元LED的极限使用条件。§8.2LED寿命测试方法二、LED寿命测试方法1.温度加速寿命测试法由于通常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。根据高温加速寿命得的结果外推其他温度下的寿命。LED温度加速老化寿命测试原理是基于Arrhenius模型。§8.2LED寿命测试方法二、LED寿命测试方法2.电流加速寿命测试法这种方法是将LED通以较大的工作电流(如30mA、40mA、50mA，60mA、70mA、80mA)进行老化。在这种情况下，其相对光功率随时间的衰减曲线如下图所示。§8.2LED寿命测试方法二、LED寿命测试方法3.普通条件外推法

普通条件外推法在理论上是可行的，用普通条件外推法来计算LED的寿命时，测量周期太长。所以在实际测量中一般不采用这种方法，而是采用温度加速老化法和电流加速老化法。§8.2LED寿命测试方法三、白光LED寿命测试实验对于白光LED与前者所不同的是：（1）发光材料由蓝光LED芯片和涂在其上的荧光粉构成；（2）蓝光LED芯片的GaN与其衬底之间的位错密度比红外

LED和早期LED要高出许多；（3）白光LED可靠性随芯片的类型和封装结构及用料而不同。§8.2LED寿命测试方法三、白光LED寿命测试实验1.试验样品选择试验器件应是同一类型，取自同一生产线中，包括管壳结构、封装材料、芯片结构、封装工艺完全相同。考虑到器件要在高温下试验，芯片与管壳底盘采用高温焊料共晶焊连接，荧光粉用硅胶调配。并全部用硅胶灌封，由硅胶自然形成的拱形球面取代玻璃透镜，以防止因“分层”而引起的光衰，且耐高温。§8.2LED寿命测试方法三、白光LED寿命测试实验2.失效判据考虑到白光功率LED光通量的衰减，一个白光功率LED照明光源的有效寿命可以采用两种判据：一种是在25℃的环境温度时光通量衰减到初始值的50％的工作时间；另一种是在同样工作条件下光通量衰减到初始值70％的工作时间。§8.2LED寿命测试方法三、白光LED寿命测试实验3.加速试验应力摸底为摸清试验样管所能承受的最高温度，用30支经过筛选的样管，分为6组，每组5支，测试其350mA的初始光通量后。分别放入烘箱中，恒温、加电摸底试验，加电的恒定电流均为350mA。§8.3LED失效分析一.LED的主要失效现象1.LED的失效类别：①严重失效：关键的光电参数改变至LED不能点亮的程度。②参数失效：关键光电参数由初始值改变至超过规定的程度。§8.3LED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，从而引发LED失效。（2）封装失效：指封装设计或生产工艺不当而引发LED失效。（3）热过应力失效：指由于发生周期性热量变化或LED内部温度超过最大额定值而引发LED失效。§8.3LED失效分析（4）电过应力失效：指由于承受了超过额定的电参数条件或过高的瞬态电流而引发LED失效。（5）装配失效：指实际使用过程中由于装配不当而引发LED失效。

在以上五种失效模式当中，任何一种模式起作用，都会引发LED不同程度的失效，同时可能连带引发其他模式起作用，从而加剧LED的失效。§8.3LED失效分析二.LED的失效模式2.固有可靠性和应用可靠性

元器件的可靠性由固有可靠性和应用可靠性两部份组成：（1）固有可靠性是指出厂前的设计制造过程中决定的元器件本身具有的可靠性特性；（2）应用可靠性是指元器件交付使用后，由于电路的工作条件、环境条件、人为因素等引发的可靠性问题的特性。§8.3LED失效分析三.影响LED可靠性的主要因素

LED在实际使用过程中，芯片不良会导致LED直接失效。环境温度的变化和LED发热在封装结构中产生的机械应力会破坏芯片、金线和电极引脚之间的连接，造成裂痕、机械性脱落或金线断裂，导致LED失效。

§8.4改善LED可靠性的关键技术

1.LED的散热路径

LED芯片有源层（发光区）产生的热量，通过以下三条路径消散：①

芯片→荧光粉胶层→灌封硅胶→透镜/管体→环境②

芯片→金线→电极引脚/管体→环境③

芯片→固晶胶→热沉→粘合胶→铝板→环境其中第1、2条路径消散的热量有限，大部分的热量是通过第3条路径消散的，它是LED散热的主要路径。§8.4改善LED可靠性的关键技术

2.散热通道分析（1）好的散热通道应该具备以下条件：①

通道尽可能短，环节尽可能少；②

通道材料具有较高的热传导能力，即热传导系数较高；③

通道物质的热传导能力连续匹配，避免在通道中形成散热瓶颈；④

与环境接触的材料热消散速度快。§8.4改善LED可靠性的关键技术

四.封装材料与机械应力的防范在大功率LED封装结构内部填充透明度高的、低应力的柔性硅胶，在硅胶承受的温度范围内（一般为-40~120℃），胶体不会因温度骤然变化而