半導體照明技術：第十四章 發(fā)光二極管可靠性

1、第十四章 發(fā)光二極管的可靠性發(fā)光二極管的可靠性 較之傳統(tǒng)的LED，照明LED的輸入功率更大，應用環(huán)境和條件更加惡劣和嚴苛，這對LED的可靠性提出了更高的要求。 發(fā)光二極管的可靠性是指它們對熱、電、機械等應力的承受能力。 可靠性必須進行大量的試驗或調查研究，才能對產品的可靠度、失效率、壽命特征進行統(tǒng)計和估算。14.1.1 可靠性的含義 含義含義：產品在規(guī)定條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力。 規(guī)定的條件不同，產品的可靠性也不同。規(guī)定的規(guī)定的條件條件包括：環(huán)境條件、負荷大小、工作方式和使用方式等。 一般情況下，溫度越高，額定負荷越大，產品可靠性就越低。同時，產品可靠性隨著時間的推移而降低。1

2、4.1.2 可靠性的定義 在實際工作中，一個發(fā)光二極管由于各種偶然的因素而失效，具有一定的隨機性。但大量的樣品的失效統(tǒng)計具有規(guī)律性。 當投入實驗的樣品充分大時，在某個時刻t時，失效的樣品數(shù)m（t）與試驗樣品數(shù)n的比值，失效發(fā)生的概率，具有一定的規(guī)律。 將可靠性用概率表示時為可靠度R： 把抽象的可靠性用數(shù)學形式的概率表示，這就是可靠性技術發(fā)展的出發(fā)點ntmntPtR)()()(14.1.3 LED可靠性的相關概念 失效：執(zhí)行規(guī)定功能（如光通量、發(fā)光效率、正向壓降、反向漏電流等）的能力的終止 嚴重失效：關鍵的光電參數(shù)改變至LED不能點亮的程度。 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。

3、 失效率（）：單位工作時間內LED嚴重失效數(shù)的百分比14.1.3 LED可靠性的相關概念 大量的實驗發(fā)現(xiàn)，LED的失效隨時間的統(tǒng)計分布規(guī)律呈浴盆狀 段，又稱隨機失效階段。失效率很低且很穩(wěn)定，近似為常數(shù)，器件失效往往帶偶然性，為使用最佳期。 第三階段：損耗失效階段。失效率明顯上升，大部分器件相繼出現(xiàn)失效。 第一階段：早期失效或老化階段。失效發(fā)生在產品使用的初期，失效率較高，隨工作時間的延長而迅速下降。 第二階段：有效壽命階 可靠性：產品在規(guī)定的條件規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力 工作條件 規(guī)定時間：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+應用可靠

4、性14.1.3 LED可靠性的相關概念環(huán)境條件負荷條件工作方式氣候環(huán)境機械環(huán)境：電、熱、力等應力條件：連續(xù)工作、間斷工作、存儲狀態(tài)14.1.3 LED可靠性的相關概念 平均無故障時間（MTTF）=1/, 為失效率 與MTTF示例：1M器件小時=0.1%（每1000小時） 在不同的溫度上估算失效率 Ea為激活能，一般取0.43eV, K為玻爾茲曼常數(shù), T為絕對溫度 系數(shù)可靠度： n個同樣器件組成的系統(tǒng)：)11(exp2112TTKEa)(exp)(ttRinttR exp)(14.1.3 LED可靠性的相關概念l壽命是定量表征LED可靠性的一物理量。在某一個特定LED個體發(fā)生失效之前，難以標明

5、其確切的壽命值。l但明確了某一批LED產品的失效率特征后，就可以得到表征其可靠性的若干壽命特征量，如平均壽命、可靠壽命、中位壽命、特征壽命等。14.1.3 LED可靠性的相關概念1 MTTFl 平均壽命：指一批電子器件產品壽命的平均值l平均壽命是電子器件最常用的一種壽命特征量l可靠壽命TR：一批電子器件產品的可靠度下降到r時，所經歷的工作時間rTnln14.1.3 LED可靠性的相關概念l中位壽命：產品的可靠度R(t)降為50%時的壽命l特征壽命：產品的可靠度R(t)降為1/e時的壽命lLED的壽命：業(yè)界通常以“半衰期”即光輸出下降到起始值50%或70%時的時間作為LED的壽命5 . 0ln5

6、 . 0T14.2 LED的失效分析LED失效機理：影響固有可靠性 a. 封裝失效b. 芯片失效lLED失效分析表如216頁表14-2所示影響應用可靠性 c. 電過應力失效d. 熱過應力失效e. 裝配失效l 一方面要努力提高LED的固有可靠性，最大限度地消除來自于應用端的不利因素l 另一方面還要悉心指導應用端用好LED，以提高LED的應用可靠性。14.2.1芯片的退化退化機理退化機理：體發(fā)光效率的退化體發(fā)光效率的退化和PN結空間電荷層中結空間電荷層中的復合增加造成的注入效率的退化的復合增加造成的注入效率的退化。l 發(fā)光效率的退化：非輻射復合中心的增加、晶體缺陷的產生、表面的劣化等。l空間電荷層

7、中的非輻射復合是一種重要的退化機制。這種退化形式明顯的表現(xiàn)在I-V特性的老化上。l非輻射復合主要由雜質、弗蘭克爾缺陷、化學計量比偏離、位錯等引起。上述現(xiàn)象能在帶隙中形成深能級。14.2.1芯片的退化退化因素示例退化因素示例： 快擴散的重金屬離子的影響是其中之一。典型的例子是銅污染的LED器件，發(fā)光效率下降速度很快。 沿方向的位錯網絡是造成砷化鎵激光器和磷化鎵綠色LED退化的原因。 非輻射的俄歇復合是材料體發(fā)光效率退化的典型例子。 發(fā)光中心濃度（如Zn-O濃度）的降低也是體發(fā)光效率退化的重要原因。 光照、電子束轟擊都可能增強缺陷的擴散，造成器件性能的退化，另外，表面玷污、損傷等也是重要原因14.

8、2.2 環(huán)氧系塑料的壽命分析 環(huán)氧系塑料在高溫環(huán)境中的光透過率隨時間近似呈線性下降。 波長越長，環(huán)氧系塑料隨高溫的劣化越嚴重。 示例:環(huán)氧樹脂進行封裝的樣品工作6000小時后，光通量僅為原來的50%，退化主要是光照和溫升引起的光透過率的劣化。14.2.3 管芯的壽命分析 器件光輸出隨時間的變化可粗略表示成指數(shù)關系： F0和F分別為起始光輸出和經時間t后的光輸出。為時間常數(shù)： =/is is為通過器件的電流密度， 為常數(shù)，=106h.A/cm2 is越大，LED結溫就越大，光衰就越嚴重。)/exp(0tFF14.2.4 熒光粉的退化 研究表明：熒光粉的劣化是壽命縮短的原因，同時，熒光粉與芯片的距

9、離是影響其光衰的重要因素。 猝滅溫度高的熒光粉可以一定程度上降低光衰幅度。 熒光粉粒徑越小，在LED中的熒光粉的光衰就越小 熒光粉粒徑均勻性也對白光光衰程度產生明顯的影響14.3 可靠性試驗 按照試驗項目分為環(huán)境試驗和壽命試驗（參考225226頁） 小功率LED環(huán)境試驗：熱的環(huán)境試驗和機械的環(huán)境試驗（226頁表14-3和14-4） 功率LED環(huán)境試驗：試驗條件更為復雜，條件更為苛刻（227頁表14-5示例）14.4 壽命試驗LED壽命測試方法壽命測試方法 確定器件的可靠性和壽命原則上應在特定的工作條件下(電流、功率、溫度等) 對器件進行考核，直至器件失效。 對于高可靠性的電子元器件進行長時間的

10、壽命試驗，無論從成本還是時間上來看，都是不合算的，甚至是不可能的。 例如對于某器件，如果要求其失效率為2.1610-8/h，抽取1000只進行試驗，若允許5只失效，則需試驗22年。 在如此長的時間內去監(jiān)測LED光輸出，采集數(shù)據顯然是不現(xiàn)實的。14.4 壽命試驗加速壽命試驗加速壽命試驗 LED最大的優(yōu)點就是它的長壽命，可達50000至100000h，一般的壽命試驗已無法對其平均壽命進行評估，業(yè)界一般采用加速法來加速LED光衰減，預測LED壽命，即用較短的時間加速老化預測LED壽命。LED壽命加速試驗的目的壽命加速試驗的目的 在較短時間內用較少的LED估計高可靠LED的可靠性水平； 運用外推的方法

11、快速預測LED在正常條件下的可靠度； 在較短時間內提供試驗結果，檢驗工藝； 在較短時間內暴露LED的失效類型及形式，便于對失效機理進行研究，找出失效原因； 淘汰早期失效產品，測定LED的極限使用條件。14.4 壽命試驗溫度加速壽命測試法溫度加速壽命測試法l由于通常LED壽命達到10萬小時左右，因此要測得其常溫下的壽命時間太長，因此采用加速壽命的方法。l根據高溫加速壽命得的結果外推其他溫度下的壽命。lLED溫度加速老化壽命測試原理是基于Arrhenius 模型，利用該模型可以發(fā)現(xiàn)由溫度應力決定的反應速度的依賴關系 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為熱力學溫度。 KTEA

12、Laln14.4 壽命試驗溫度加速壽命測試法溫度加速壽命測試法l某一批次器件的Ea可看出近似相同。l如果已知道同一批樣品在某兩個溫度下工作的壽命，則可以推算出激活能Ea，則可由以下公式推知在其它溫度下的壽命 l由于器件向失效發(fā)展的機理不同，其能量勢壘的高度也不同，所以其激活能量值Ea也不一樣，就像其它半導體器件一樣，根據激活能量值Ea推出失效機理，據此改進器件設計和生產工藝。121211expTTKELLa14.4 壽命試驗電流加速壽命測試法電流加速壽命測試法l這種方法是將LED通以較大的工作電流(如30500mA)進行老化l在這種情況下，其相對光功率隨時間的衰減曲線如圖所示。Thin Sol

13、id Films 483 (2005) 37838114.4 壽命試驗電流加速壽命測試法電流加速壽命測試法l從圖中可以看到，當驅動電流較小時，在老化的初始階段衰減幅度較小。l當相對光功率衰減到P/P00.80.9以后，相對光輸出功率與老化時間之間滿足關系式: 其中是擬合直線的斜率，它與驅動電流無關是一個常數(shù) P0初始的光功率， t0與電流大小有關)/ln(1/00ttaPP14.4 壽命試驗普通條件外推法普通條件外推法 l當LED通過一定的電流時，認為它的光強隨時間的衰減滿足一定的指數(shù)關系l其中Bt為老化t小時后的亮度，B0為LED的初始亮度，而為與LED和電流值有關的常數(shù)。)/exp(0tBBt14.4 壽命試驗普通條件外推法普通條件外推法 l通常把亮度降到Bt=0.5B0所經歷的時間T稱為LED的壽命。測定T要花很長的時間，通常以推算求得壽命。l 在實際的測量過程中，給LED通額定工作電流恒流源，點燃t1小時(其中t1一般為1000-10000小時之間)。先后測得Bt，