LED可靠性初探

1、LED 可靠性初探裴小明一. 研究背景1. LED：半導體發(fā)光二極管，即將成為21世紀的新一代光源綠色固態(tài)照明光源。z 高效低耗，節(jié)能環(huán)保；z 低壓驅(qū)動，響應速度快,安全性高；z 固體化封裝，耐振動，體積小，便于裝配組合；z 可見光區(qū)內(nèi)顏色全系列化，色溫、色純、顯色性、光指向性良好，便于照明應用組合；z 直流驅(qū)動，無頻閃，用于照明有利于保護人眼視力；z 使用壽命長。2. LED產(chǎn)業(yè)：商機巨大，朝陽無限，任重道遠。z LED 應用極其廣泛，一旦半導體照明應用啟動，需求量將成爆發(fā)式增長；z 官產(chǎn)學研高度重視，大力推進，LED 半導體照明應用已露曙光；z 業(yè)界(尤其在國內(nèi) 水平參差不齊，尚未形成高水

2、平的產(chǎn)業(yè)鏈群，普遍存在急于將尚未成熟的LED 匆匆推入照明領域的冒進心態(tài)。3. 應用瓶頸：性價比、可靠性、認識誤區(qū)。z 光效率偏低，價格偏高。如目前白光 POWER LED ：1035 lm/W，USD0.10.2/lm，綜合性價比暫時無法超越普通光源；z 業(yè)界上、中、下游對LED 的可靠性（尤其是壽命）的認識和評判存在誤區(qū)，缺乏有公信力的可靠性評估標準和試驗認證機構，造成芯片廠家不敢對封裝廠家作可靠性承諾，封裝廠家或無法、或不負責任地對用戶作可靠性承諾，直接影響用戶將LED 應用于照明的信心；z 業(yè)內(nèi)廠家（尤其在國內(nèi)）大多數(shù)只追求LED 的初始特性，甚至為求降低價格而不顧品質(zhì)，對LED 的可

3、靠性普遍重視不足。若以這種思維定勢和作法將LED 推入照明領域，極有可能產(chǎn)生災難性的后果。z 業(yè)界上、中、下游普遍缺乏溝通，對影響LED 性能的因素認識不全面，各自本位地、想當然地從自身的角度去制造和使用LED ，使LED 的性能得不到有效保障和充分發(fā)揮。二. 研究目的：明晰描述LED 可靠性的相關概念，分析LED 的失效機理，初探影響LED 可靠性的因素，以期拋磚引玉，引起官產(chǎn)學研界對LED 可靠性的充分重視，建立具有公信力的LED 可靠性評估標準和試驗認證機構，共同打造LED 的良好性能、品質(zhì)和形象，使其健康地步入照明領域。三. 描述LED 可靠性的相關概念1. 失效：執(zhí)行規(guī)定功能的能力的

4、終止。2. LED失效類別：1 嚴重失效：關鍵的光電參數(shù)改變至LED 不能點亮的程度。2 參數(shù)失效：關鍵的光電參數(shù)由初始值改變至超過一定程度。z 一般正常輕微的不影響LED 工作的光電參數(shù)隨時間的變化，不被認作失效；z I V /中等程度的下降、V F 及I R 中等程度的變化，可能被認做失效。3. 失效率（）：單位工作時間內(nèi)LED 嚴重失效數(shù)的百分比。典型LED 失效率曲線 z 老化階段（Burn-in Period）早期失效（early failures）。失效發(fā)生在產(chǎn)品使用的初期，失效率較高，隨工作時間的延長而迅速下降。造成早期失效的原因大多屬生產(chǎn)型缺陷，由產(chǎn)品本身存在的缺陷所致。通過可

5、靠性設計、加強生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制可減少這一時期的失效。進行合理的老化、篩選盡可能在交付使用前把早期失效的器件淘汰掉。z 有效壽命階段(Useful life Period隨機失效(random failures。失效率很低且很穩(wěn)定，近似為常數(shù)，器件失效往往帶有偶然性。這一時期是使用最佳階段。z 耗損階段（Wear-out Period）耗損失效(wear-out failures。失效率明顯上升，大部分器件相繼出現(xiàn)失效。一般出現(xiàn)在產(chǎn)品使用后期。耗損失效多由于老化、磨損和疲勞等原因使器件性能惡化所致，應及早更換器件以保證設備的正常工作。4. 平均無故障時間 (MTTF：注： N=元器件總數(shù)；n=

6、失效元器件數(shù) MTTF= = t=工作時間。 當n=0時，計算中取n=1。1n Nt 5. 可靠性：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。 規(guī)定的工作條件：z 環(huán)境條件：a 、氣候環(huán)境：溫度、濕度、氣壓、氣氛、鹽霧、霉菌、輻射等；b 、機械環(huán)境：振動、沖擊、碰撞、跌落、離心、搖擺等。；z 負荷條件： 電、熱、力等應力條件；z 工作方式：a 、連續(xù)工作 b 、間斷工作 c 、存儲狀態(tài)（不工作）。 規(guī)定的時間：指評價電子元器件的可靠性和規(guī)定的時間有關，在同一工作條件下，保持的時間越長可靠性越高。 可靠性=固有可靠性+應用可能性z 固有可靠性：出廠前的設計制造過程中決定的元器件本身具

7、有的可靠性特性；z 應用可靠性：元器件交付使用后，由于電路的工作條件、環(huán)境條件、人為因素等引發(fā)的可靠性問題；z 國內(nèi)外有關資料表明：在電子元器件的失效中，由于選擇或使用不當?shù)热藶橐蛩貙е率У谋壤哌_總失效數(shù)的50%70%。由此可見，LED 業(yè)界的上、中、下游必須加強溝通配合，共同解決可靠性問題。LED 的制造者除了擔負保證LED 的固有可靠性的責任外，還應指導用戶提高LED 的應用可靠性，幫助用戶解決以下問題：a 、 正確合理選用LED b、降額使用 c 、熱設計 d 、抗輻射e 、防靜電 f 、操作問題的損傷 g 、儲存和保管6. 可靠度R(t：表示電子器件產(chǎn)品在規(guī)定條件下使用一段時間t

8、后，還能完成規(guī)定功能的概率。（1）如果有N 個電子器件產(chǎn)品從開始工作到t 時刻的失效數(shù)為n (t, 當N 足夠大時， 產(chǎn)品在t 時刻的可靠度可近似表示為： 中國廣州市花都區(qū)汽車城東風大道西側(cè) Page: 3 of 7 West Side of Dongfeng Highway, Auto city, Huadu District, Guangzhou, Chinaz LED 的壽命：業(yè)界通常默認為IV/衰減至初始值50%時的時數(shù)（其它參數(shù)未失效）。從美國Lumileds 公司公布的5mm 白色LED（20mA ）和Power LED（350mA ）的常溫老化曲線中可看到5mm 白色LED 的壽

9、命大約只有6000小時。四. LED的失效分析LED 失效機理（模式）： 廣州鴻利光電子有限公司 Guangzhou Hongli Opto-Electronic Co., Ltd_ a. 封裝失效中國廣州市花都區(qū)汽車城東風大道西側(cè) Page: 4 of 7 b. LED 的應用可靠性 廣州鴻利光電子有限公司 Guangzhou Hongli Opto-Electronic Co., Ltd_ 中國廣州市花都區(qū)汽車城東風大道西側(cè) Page: 5 of 7現(xiàn)象 失效 類別失效原因 失效機理 10 芯片電極不良 b 7. VF 上升 參數(shù) 失效 11 用戶使用不當 c 、d 、e 1 芯片外延結構

10、缺陷 b 2 芯片負溫度效應 b 3 PN 結微導通 a 、c 、d 4 , 污染PN 結 a 5 IR 嚴重上升 a 、b 、c 6 嚴重ESD 損傷 b 、c 8. VF 下降 參數(shù) 失效 7 用戶使用不當 c 、d 、e 失效現(xiàn)象失效類別失效原因 機理 1導電固晶膠過量, 污染PN 結 a 2金球偏位造成PN 結微導通 a 、c 、d 3芯片外延結構缺陷 b 4嚴重ESD 損傷 b 、c 9. IR 增大參數(shù)失效5用戶使用不當 c 、d 、e 1結構設計不當 a 2封裝材料選用不當 a 3封裝工藝條件不當 a 10. 結構受損參數(shù)失效4用戶使用不當 c 、d 、e 五. 改善LED 可靠

11、性必須考慮的因素：1. 封裝失效:1 結構設計z 整體外形z 出光通道：a. 透鏡形狀及透光率 b. 透鏡界面及折射率的遞變 c. 透鏡密封膠的選擇 d. 固晶基座反射面z 電流通道：a. 固晶基座的大小和材質(zhì) b. 電流承受能力 c. 電流密度分布z 散熱通道：a. 固晶基座的大小和材質(zhì) b. 固晶方式 c. 界面物質(zhì)的導熱系數(shù)d. 結溫 e. 熱阻z 應力保護2 材料的評估與選用z 晶片：a. 類別GaP 、ALAsGa 、ALInGaP 、InGaN/Al2O 3、InGaN/SiCb 結構AuNi 、ITO 、Flip 、Lift-off 、AuSnc 尺寸電流承受能力d 導熱系數(shù) e

12、 熱阻 f 電極的結構、材質(zhì)、可焊性 g 抗靜電能力（ESD ） p. IF T h Life Time q. Iv T i Iv/ r. d/p T j d/p h V F /V F low k I R /VR /Vzl. IF VFm. Iv I Fn. d/p IF o. IF z 固晶晶座/支架：a. 材質(zhì)b. 導熱系數(shù)c. 尺寸大小 d. 電鍍質(zhì)量 e . 潔凈度 f . 固晶方式的配合 g . 可焊性_ 透鏡/膠體： a. 透光率 b. 折射率 c. 介電率 固晶膠： a. b. 金線： a. b. 熒光粉： a. 激發(fā)效率 b. 受激波長 廣州鴻利光電子有限公司 Guangzho

13、u Hongli Opto-Electronic Co., Ltd d.導熱系數(shù) e . 膨脹系數(shù) f . Tg 點 導電率/介電率 導熱系數(shù) 電流承受能力 純度 c. 衰減速率 d . 粒度大小 g . 應力保護能力 h . 適應溫度范圍 c. 粘度 d. 適應溫度范圍 c.拉伸強度 e . 離子含量 f . 吸潮性 熒光粉調(diào)配膠/透鏡密封膠： a. 透光率 d. 粘度 b. 折射率 e. 兼容性 c. 導熱系數(shù) f. 可操作性 3）制程控制 制程品質(zhì)的重復性 固晶膠量 g . 適應溫度范圍 金球大小 金球位置 金線弧度 ESD 防護 結凈度 溫濕度 4）工藝條件 固晶膠烘烤的溫度、時間和進

14、程 焊線的加熱溫度、壓力、超聲強度、時間 封膠的前、后固化溫度、時間、進程（Tg） 測試標準和條件 2. 芯片失效： a 根據(jù)應用要求正確選用芯片； b 嚴格按固晶、焊線的工藝條件和作 業(yè)標準控制固晶焊線制程； c 必要時做好芯片表面的保護和歐姆 接觸的應力保護； d 對芯片的測試和使用必須按規(guī)定條 件進行； e 做好 ESD 防護，如選用帶 ESD DIODE 的芯片(如右圖。 3. 電過應力失效 中國廣州市花都區(qū)汽車城東風大道西側(cè) West Side of Dongfeng Highway, Auto city, Huadu District, Guangzhou, China Tel:

15、86Http:/www.sz- Page: 6 of 7 _ 1 嚴格按規(guī)定條件驅(qū)動 LED， 超出額定電流驅(qū)動 LED 將 嚴重影響 LED 的壽命和可靠 性； 2）在實際應用中，可根據(jù)電路的實際情況在 LED 正向加適當?shù)南蘖麟娮瑁?LED 反向加 適當?shù)母唠妷汗瓒O管作保護，以防止瞬間大電流、高電壓對 LED 的沖擊； 3）切實做好 ESD 防護。 4. 熱過應力失效 1 必須在 LED 規(guī)定的結溫范圍內(nèi)，超出規(guī)定結溫范圍使用 LED 將嚴重影響 LED 的壽命和 可靠性； 廣州鴻利光電子有限公司 Guangzhou Hongli Opto-Electroni

16、c Co., Ltd 考慮可能出現(xiàn)的環(huán)境溫度變化因素，使用必要的、適當?shù)纳釞C構對 LED 作二次散熱， 以確保 LED 在規(guī)定的結溫范圍內(nèi)工作。 5. 裝配失效 1 組合裝配使用 LED 必須考慮整體結構是否能滿足 LED 的散熱要求； 2）LED 與二次散熱板之間的介面必須選用適當?shù)哪z水粘合，否則會因膠水的導熱不良而顯 著地增加介面的熱阻，使二次散熱的效果適得其反； 3）用金屬夾層印刷線路板做 POWER LED 的二次散熱板時，務必考慮其夾層的介電能力， 否則有產(chǎn)生短路的可能； 4）嚴格按規(guī)定的條件控制 LED 的焊接溫度和時間。 六. 結束語 LED 要真正進入大照明領域，除了要有高標準的初始特性和良好的性價比之外，還必須要有 令人信服的可靠性作支撐。只要我們徹底弄清影響 LED 可靠性的各種因素，針對其失效原因和 機理， 設計出合理的結構， 選用適當?shù)目煽啃愿叩脑牧希?嚴格按工藝條件和作業(yè)標準控制制程， 就一定期能夠制造出高固有可靠性的 LED，以滿足日益增長的市場需求。同時，我們還必須用 心引導用戶正確使用 LED，以提高 LED 的應用可靠性。 我希望， 政府有關部門要大力宣傳 LED 可靠性的重要性， 推動并支持建立具有公信力的 LED 可靠性評估標準，設立獨立的 LED 可靠性實驗室和認證機構，以保障 LED 產(chǎn)業(yè)健康地發(fā)展；學 界要加強