可靠性LED加速老化壽命試驗(yàn)方法概論

1、一、可靠性理論基礎(chǔ)1. 可靠度：如果有N個(gè)LED產(chǎn)品從開(kāi)始工作到t時(shí)刻的失效數(shù)為n(t)，當(dāng)N足夠大時(shí)，產(chǎn)品在t時(shí)刻的可靠度可近似表示為：隨時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，將不斷下降。它是介于1與0之間的數(shù)，即 。2. 累積失效概率：表示發(fā)光二極管在規(guī)定條件下工作到t這段時(shí)間內(nèi)的失效概率，用F(t)表示，又稱(chēng)為失效分布函數(shù)。如果N個(gè)LED產(chǎn)品從開(kāi)始工作到t時(shí)刻的失效數(shù)為n(t)，則當(dāng)N足夠大時(shí)，產(chǎn)品在該時(shí)刻的累積失效概率可近似表示為：3. 失效分布密度：表示規(guī)定條件下工作的發(fā)光二極管在t時(shí)刻的失效概率。失效分布函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)稱(chēng)為失效分布密度，其表達(dá)式如下： 早期失效期； 偶然失效期(或穩(wěn)定使用期) ； 耗損失效

2、期。 二、壽命老化：LED發(fā)光亮度隨著長(zhǎng)時(shí)間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān)，可描述為： Bt為t時(shí)間后的亮度，B0為初始亮度。通常把亮度降到Bt=0.5B0所經(jīng)歷的時(shí)間t稱(chēng)為二極管的壽命。 1. 平均壽命 如果已知總體的失效分布密度f(wàn)（t），則可得到總體平均壽命的表達(dá)式如下： 2. 可靠壽命可靠壽命TR是指一批LED產(chǎn)品的可靠度下降到r時(shí)，所經(jīng)歷的工作時(shí)間。TR可由R（TR）=r求解，假如該產(chǎn)品的失效分布屬指數(shù)分布規(guī)律，則： 即可求得TR如下: 3. 中位壽命中位壽命T0.5指產(chǎn)品的可靠度R(t)降為50%時(shí)的可靠壽命，即：對(duì)于指數(shù)分布情況，可得：二、LED

3、壽命測(cè)試方法 LED壽命加速試驗(yàn)的目的概括起來(lái)有： 在較短時(shí)間內(nèi)用較少的LED估計(jì)高可靠LED的可靠性水平 運(yùn)用外推的方法快速預(yù)測(cè)LED在正常條件下的可靠度； 在較短時(shí)間內(nèi)提供試驗(yàn)結(jié)果，檢驗(yàn)工藝； 在較短時(shí)間內(nèi)暴露LED的失效類(lèi)型及形式，便于對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行研究，找出失效原因； 淘汰早期失效產(chǎn)品，測(cè)定元LED的極限使用條件1. 溫度加速壽命測(cè)試法 由于通常LED壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)左右，因此要測(cè)得其常溫下的壽命時(shí)間太長(zhǎng)，因此采用加速壽命的方法。根據(jù)高溫加速壽命得的結(jié)果外推其他溫度下的壽命。LED溫度加速老化壽命測(cè)試原理是基于Arrhenius 模型。 利用該模型可以發(fā)現(xiàn)由溫度應(yīng)力決定的反應(yīng)速度的依

4、賴(lài)關(guān)系，即式中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(xué)溫度。 因此測(cè)試溫度應(yīng)有兩個(gè)，即還需測(cè)得另一個(gè)溫度T2下器件壽命為L(zhǎng)2?？梢郧蟮眉せ钅蹺a。樣便可以求得溫度T1對(duì)某溫度T3下的加速系數(shù)K3 : 。有：可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)需要測(cè)得同一批器件在兩個(gè)不同溫度下的壽命，然后推得其他溫度下的壽命。這就要求被測(cè)器件的數(shù)量應(yīng)足夠多，才能避免個(gè)性影響，而得到共性，即得到統(tǒng)計(jì)壽命值才真實(shí)。LED從正常狀態(tài)進(jìn)入劣化狀態(tài)的過(guò)程中，存在能量勢(shì)壘，躍過(guò)這個(gè)勢(shì)壘所需要的能量必須由外部供給，這個(gè)能量勢(shì)壘就稱(chēng)為激活能?？梢钥闯?，激活能越大曲線傾斜越大，與溫度關(guān)系越密切，加速系數(shù)越大，溫度越高加速系數(shù)越大。由于

5、器件向失效發(fā)展的機(jī)理不同，其能量勢(shì)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(dǎo)體器件一樣，根據(jù)激活能量值Ea推出失效機(jī)理，據(jù)此改進(jìn)器件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝。某一批次器件的Ea可看出近似相同。 2.電流加速壽命測(cè)試法 從圖中可以看到，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流較小時(shí)，在老化的初始階段衰減幅度較小。當(dāng)相對(duì)光功率衰減到P/P0<0.80.9以后，相對(duì)光輸出功率與老化時(shí)間之間滿(mǎn)足關(guān)系式: （1）其中是擬合直線的斜率，它與驅(qū)動(dòng)電流無(wú)關(guān)是一個(gè)常數(shù)為0.27，將t0定義為P/P0=1時(shí)的點(diǎn)，它是與電流強(qiáng)度的大小有關(guān)，可表示為：(2)將（1）式進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q可以得到：（3）聯(lián)立 (2)、(3) 就可以計(jì)算出輸出

6、功率衰減到一半時(shí)(即P/P0=0.5)的壽命: （4）IF驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度，單位為mA；tF為老化時(shí)間，單位為小時(shí)。 以40mA為例，利用公式通過(guò)測(cè)量驅(qū)動(dòng)電流為40mA時(shí)的壽命來(lái)推導(dǎo)LED在驅(qū)動(dòng)電流為20mA時(shí)的壽命。假設(shè)我們己經(jīng)測(cè)得測(cè)量驅(qū)動(dòng)電流為40mA時(shí)的壽命為，則驅(qū)動(dòng)電流為20mA時(shí)的壽命為:也就是說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電流為20mA時(shí)的壽命為驅(qū)動(dòng)電流為40mA時(shí)的壽命的6.498倍。3. 普通條件外推法 當(dāng)LED通過(guò)一定的電流時(shí)，認(rèn)為它的光強(qiáng)隨時(shí)間的衰減滿(mǎn)足一定的指數(shù)關(guān)系，如下圖所示。其中Bt為老化t小時(shí)后的亮度，B0為L(zhǎng)ED的初始亮度，而為與LED和電流值有關(guān)的常數(shù)。通常把亮度降到Bt=0.5B0所經(jīng)

7、歷的時(shí)間T稱(chēng)為L(zhǎng)ED的壽命。測(cè)定T要花很長(zhǎng)的時(shí)間，通常以推算求得壽命。在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，給LED通額定工作電流20mA恒流源，點(diǎn)燃t1小時(shí)(其中t1一般為1000-10000小時(shí)之間)。先后測(cè)得Bt，B0，將這些數(shù)據(jù)代入就可以求得常數(shù)，再把Bt=0.5B0 ，這樣就可以求得壽命T。造成功率LED光衰的應(yīng)力主要來(lái)自于結(jié)溫的影響，因此對(duì)白光LED壽命的測(cè)試采用溫度作為恒定加速應(yīng)力比較合適。失效判據(jù)考慮到白光功率LED光通量的衰減，一個(gè)白光功率LED照明光源的有效壽命可以采用兩種判據(jù)： 一種是在25的環(huán)境溫度時(shí)光通量衰減到初始值的50 的工作時(shí)間； 另一種是在同樣工作條件下光通量衰減到初始值70的

8、工作時(shí)間。3. 加速試驗(yàn)應(yīng)力摸底 烘箱恒定溫度Ta分別為85、125、150、165、175、185。恒定時(shí)間96小時(shí)取出樣管?；謴?fù)1小時(shí)，再逐支測(cè)LED的光通量。摸底試驗(yàn)結(jié)果表明：在125以下光通量在有限的時(shí)間內(nèi)幾乎沒(méi)有變化，從150開(kāi)始略有變化。直至185下出現(xiàn)有1支樣品管光衰較大。由此選定165和175、185、350mA、96-180小時(shí)作為恒定加速應(yīng)力的試驗(yàn)條件。 4. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 由阿侖尼斯模型給出計(jì)算不同結(jié)溫的期望工作壽命和激活能的公式：(1)P0為初始光通量；P為加溫加電后的光通量；為某一溫度下的衰退系數(shù)：t為某一溫度下的加電工作時(shí)間；由阿侖尼斯模型給出計(jì)算不同結(jié)溫的期望工作壽命和激活能的公式： (2)0為常數(shù)；Ea為激活能；k為波耳茲曼常數(shù)；IF為工作電流；Tj為結(jié)溫；結(jié)溫可按公式（3）求得：（3） Tc為殼溫；VF為正向電壓；Rj-c為結(jié)到殼的熱阻。1. LED的失效類(lèi)別：根據(jù)阿侖尼斯模型給出計(jì)算不同結(jié)溫的期望工作壽命和激活能的公式 P=P0exp(-t) =0Ifexp(-Ea/kTj) 式中： P0 為初始光通量; P 為加溫加電后的光通量; 為某一溫度下的衰減系數(shù); t為某一溫度下的