LED封装可靠性和寿命分析

LED封装可靠性和

寿命分析

钟群博士深圳中景科创光电科技有限公司白光LED器件发光效率的发展和预测白光LED同传统照明光源的比较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照明光源的环保特性输入功率转化为：白炽灯荧光灯金卤灯白光LED（120lm/W)白光LED（240lm/W)可见光辐射能量5%23%27%33%66%红外辐射能量90%33%17%0%0%紫外辐射能量0%3%19%0%0%辐射能量总和95%59%63%33%66%热能5%41%37%67%34%总和100%100%100%100%100%LED封装结构DIPLED&PiranhaSMDLEDLEDDisplayHighPowerLED如何理解LED照明的寿命？同LED器件,电源,以及所有配件的寿命有关寿命同可靠性有关，或者说同上述所有零部件的失效有关：

R(t)=1–P(t)

R(t)：可靠性几率

P(t)：失效几率

t：时间

平均失效时间MTTFMTTF=MeanTimeToFailure可靠性几率同失效率λ成指数关系

R(t)=exp(-λt)

MTTF和失效率成反比

MTTF=1/λ寿命同MTTF成正比关系,和失效率成反比关系实例分析中景LED器件的MTTF可达108devicehrs；单个器件使用10000小时的可靠性几率：

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

失效几率P（t）=1-R(t）

=0.01%or100ppm

传统照明工业的寿命标准*B-寿命是指多少比例的产品毁坏性失效，比如开路，短路，不亮等LED的B-寿命的理解同B-寿命相关的失效机理是CatastrophicFailure（崩溃失效）LED的崩溃失效有：开路或短路灭光（或非正常的急剧光衰）一般来说，如果以上述彻底毁坏的因素来定义LED器件的B-寿命，则LED器件的寿命非常长，即使B-10都能超过10万小时。事实上，LED器件的B-10寿命必须同L-寿命结合起来考虑。LED的L-寿命的理解同L-寿命相关的机理是光衰，或者反过来说，光维持。LED的正常情形（非失效原因）的光衰同下述原因有关：芯片结构

LED芯片PN结温工作电流根据美国ASSIST（AllianceforSolid-stateIlluminationSystemsTechnologies)的建议，L-寿命以LED光通下降到初始70%为界限，记为L-70。当然在某些特殊应用上可以改变，比如许多灯具连成一片的照明工程可以采用L-80；装饰性灯光工程可以采用L-50。LED的L-寿命同LED-PN结温有关温度让材料中的原子互相扩散，破坏了LEDPN结界面的陡性，因此发光效率降低LED的L-寿命同工作电流有关工作电流的影响同芯片的结构有关。电流扩散性影响芯片温度LED器件寿命---同芯片和封装的关系LED寿命本质上是指芯片的寿命；在老化测试中，最先1000小时被认为是无效的。影响LED器件可靠性的主要因素封装材料的光热稳定性和应力：应力小：热膨胀或收缩系数比较小玻璃化温度（Tg）影响上述系数高透光率而且无黄变耐热耐紫外无吸湿性硅胶和环氧树脂的性能比较硅胶针对不同波长的透光率耐温实验紫外稳定性L-寿命---同LEDPN结温的关系L-寿命同LED结温的关系采用Arrhenius模型：

Lifetime∝exp(Ea/kTj)

其中：Ea：活化能，单位是电子伏特（eV）

k：Boltzman常数（8.617x10-5eV/K)

Tj：结温，绝对温度对于半导体材料来说，历史上Ea活化能定为0.43eV.但是对于AlGaInP和InGaN这些LED材料来说，0.43eV已不合适，而且不同厂家生产的LED材料的Ea都不相同。一般来说，Ea越大，则LED在低结温下寿命更长。

结温的推算

---热阻定义结温的推算

---热阻模型

同电阻计算

完全一致！结温的推算---热阻模型单一材料热阻计算一般材料的导热系数（W/mK）：纯铝220纯氧化铝37铝合金120-180ABS0.25纯铜386有机玻璃0.19黄铜119PC0.19纯金318PS0.1纯银418PVC0.16纯铁72硅橡胶0.19锡64环氧树脂0.2钛15.6玻璃0.78金刚石2100砖头0.69钨180木头0.1-0.15不锈钢12-40镍铬比例大则导热差热阻计算公式：其中：σ代表导热系数L：代表导热距离A：代表导热截面积结温的推算---结温计算如果一个LED器件或LED灯具的从芯片PN结到环境的热阻是已知的，而且功率是已知的，则结温可以通过上述公式知道。TA代表所测点的温度，不一定是环境温度，可以是任何一个容易测到而且温度能达到平衡的点。LED器件寿命的测试---TMPTMP=温度测量点散热铜柱（Slug）上的温度贴片LED的引脚上（SolderingPoint）的温度封装底座上的温度（Substrate)上的温度LED模组上MCPCB（金属基PCB）的温度电源外壳温度电源基座温度TMP的测试示意图LED器件的寿命评估---IESNALM80标准美国新出台的IESNALM80-08标准约定6000小时的老化测试时间。

老化测试数据总结LED器件寿命曲线的模拟和推导WeibullDistribution其中：β是无量纲，修正曲线的形状；

λ是失效率；

t是时间。LifetimeExtrapolationⅠ（20mAonsinglechip）LifetimeExtrapolationⅡ（40mAonsinglechip）

L70和Tj的关系

LifetimeEstimationandAnalysisLED灯具的寿命---系统概念LED灯具成为一个系统，其可靠性几率同所有配件和性能的失效率的加和有关：从上述公式中可以看出，如果某一因素的寿命特别短，或者失效率特别高（寿命和失效率成反比），则系统可靠性只同这个因素有关。影响LED灯具L-寿命的因素LED芯片的寿命LED封装材料对光