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(dǎo)體發(fā)光二極管，即將成為21世紀(jì)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(dòng)，響應(yīng)速度快,安全性高；z 固體化封裝，耐振動(dòng)，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(yīng)用組合；z 直流驅(qū)動(dòng)，無頻閃，用于照明有利于保護(hù)人眼視力；z 使用壽命長(zhǎng)。2. LED產(chǎn)業(yè)：商機(jī)巨大，朝陽無限，任重道遠(yuǎn)。z LED 應(yīng)用極其廣泛，一旦半導(dǎo)體照明應(yīng)用啟動(dòng)，需求量將成爆發(fā)式增長(zhǎng)；z 官產(chǎn)學(xué)研高度重視，大力推進(jìn)，LED 半導(dǎo)體照明應(yīng)用已露曙光；z 業(yè)界(尤其在國(guó)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(lǐng)域的冒進(jìn)心態(tài)。3. 應(yīng)用瓶頸：性價(jià)比、可靠性、認(rèn)識(shí)誤區(qū)。z 光效率偏低，價(jià)格偏高。如目前白光 POWER LED ：1035 lm/W，USD0.10.2/lm，綜合性價(jià)比暫時(shí)無法超越普通光源；z 業(yè)界上、中、下游對(duì)LED 的可靠性（尤其是壽命）的認(rèn)識(shí)和評(píng)判存在誤區(qū)，缺乏有公信力的可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)認(rèn)證機(jī)構(gòu)，造成芯片廠家不敢對(duì)封裝廠家作可靠性承諾，封裝廠家或無法、或不負(fù)責(zé)任地對(duì)用戶作可靠性承諾，直接影響用戶將LED 應(yīng)用于照明的信心；z 業(yè)內(nèi)廠家（尤其在國(guó)內(nèi)）大多數(shù)只追求LED 的初始特性，甚至為求降低價(jià)格而不顧品質(zhì)，對(duì)LED 的可

3、靠性普遍重視不足。若以這種思維定勢(shì)和作法將LED 推入照明領(lǐng)域，極有可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。z 業(yè)界上、中、下游普遍缺乏溝通，對(duì)影響LED 性能的因素認(rèn)識(shí)不全面，各自本位地、想當(dāng)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(guān)概念，分析LED 的失效機(jī)理，初探影響LED 可靠性的因素，以期拋磚引玉，引起官產(chǎn)學(xué)研界對(duì)LED 可靠性的充分重視，建立具有公信力的LED 可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)認(rèn)證機(jī)構(gòu)，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(lǐng)域。三. 描述LED 可靠性的相關(guān)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(yán)重失效：關(guān)鍵的光電參數(shù)改變至LED 不能點(diǎn)亮的程度。2 參數(shù)失效：關(guān)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(shí)間的變化，不被認(rèn)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(rèn)做失效。3. 失效率（）：?jiǎn)挝还ぷ鲿r(shí)間內(nèi)LED 嚴(yán)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(shí)間的延長(zhǎng)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(shè)計(jì)、加強(qiáng)生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制可減少這一時(shí)期的失效。進(jìn)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(jī)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(shí)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(yīng)及早更換器件以保證設(shè)備的正常工作。4. 平均無故障時(shí)間 (MTTF：注： N=元器件總數(shù)；n=

6、失效元器件數(shù) MTTF= = t=工作時(shí)間。 當(dāng)n=0時(shí)，計(jì)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(shí)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(jī)械環(huán)境：振動(dòng)、沖擊、碰撞、跌落、離心、搖擺等。；z 負(fù)荷條件： 電、熱、力等應(yīng)力條件；z 工作方式：a 、連續(xù)工作 b 、間斷工作 c 、存儲(chǔ)狀態(tài)（不工作）。 規(guī)定的時(shí)間：指評(píng)價(jià)電子元器件的可靠性和規(guī)定的時(shí)間有關(guān)，在同一工作條件下，保持的時(shí)間越長(zhǎng)可靠性越高。 可靠性=固有可靠性+應(yīng)用可能性z 固有可靠性：出廠前的設(shè)計(jì)制造過程中決定的元器件本身具

7、有的可靠性特性；z 應(yīng)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(guó)內(nèi)外有關(guān)資料表明：在電子元器件的失效中，由于選擇或使用不當(dāng)?shù)热藶橐蛩貙?dǎo)致失效的比例高達(dá)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(qiáng)溝通配合，共同解決可靠性問題。LED 的制造者除了擔(dān)負(fù)保證LED 的固有可靠性的責(zé)任外，還應(yīng)指導(dǎo)用戶提高LED 的應(yīng)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(shè)計(jì) d 、抗輻射e 、防靜電 f 、操作問題的損傷 g 、儲(chǔ)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(shí)間t

8、后，還能完成規(guī)定功能的概率。（1）如果有N 個(gè)電子器件產(chǎn)品從開始工作到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： 中國(guó)廣州市花都區(qū)汽車城東風(fēng)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(rèn)為IV/衰減至初始值50%時(shí)的時(shí)數(shù)（其它參數(shù)未失效）。從美國(guó)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(shí)。四. LED的失效分析LED 失效機(jī)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(guó)廣州市花都區(qū)汽車城東風(fēng)大道西側(cè) Page: 4 of 7 b. LED 的應(yīng)用可靠性 廣州鴻利光電子有限公司 Guangzhou Hongli Opto-Electronic Co., Ltd_ 中國(guó)廣州市花都區(qū)汽車城東風(fēng)大道西側(cè) Page: 5 of 7現(xiàn)象 失效 類別失效原因 失效機(jī)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(dāng) c 、d 、e 1 芯片外延結(jié)構(gòu)

10、缺陷 b 2 芯片負(fù)溫度效應(yīng) b 3 PN 結(jié)微導(dǎo)通 a 、c 、d 4 , 污染PN 結(jié) a 5 IR 嚴(yán)重上升 a 、b 、c 6 嚴(yán)重ESD 損傷 b 、c 8. VF 下降 參數(shù) 失效 7 用戶使用不當(dāng) c 、d 、e 失效現(xiàn)象失效類別失效原因 機(jī)理 1導(dǎo)電固晶膠過量, 污染PN 結(jié) a 2金球偏位造成PN 結(jié)微導(dǎo)通 a 、c 、d 3芯片外延結(jié)構(gòu)缺陷 b 4嚴(yán)重ESD 損傷 b 、c 9. IR 增大參數(shù)失效5用戶使用不當(dāng) c 、d 、e 1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng) a 2封裝材料選用不當(dāng) a 3封裝工藝條件不當(dāng) a 10. 結(jié)構(gòu)受損參數(shù)失效4用戶使用不當(dāng) 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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)d. 結(jié)溫 e. 熱阻z 應(yīng)力保護(hù)2 材料的評(píng)估與選用z 晶片：a. 類別GaP 、ALAsGa 、ALInGaP 、InGaN/Al2O 3、InGaN/SiCb 結(jié)構(gòu)AuNi 、ITO 、Flip 、Lift-off 、AuSnc 尺寸電流承受能力d 導(dǎo)熱系數(shù) e

12、 熱阻 f 電極的結(jié)構(gòu)、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(dǎo)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(zhǎng) 廣州鴻利光電子有限公司 Guangzho

13、u Hongli Opto-Electronic Co., Ltd d.導(dǎo)熱系數(shù) e . 膨脹系數(shù) f . Tg 點(diǎn) 導(dǎo)電率/介電率 導(dǎo)熱系數(shù) 電流承受能力 純度 c. 衰減速率 d . 粒度大小 g . 應(yīng)力保護(hù)能力 h . 適應(yīng)溫度范圍 c. 粘度 d. 適應(yīng)溫度范圍 c.拉伸強(qiáng)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(dǎo)熱系數(shù) f. 可操作性 3）制程控制 制程品質(zhì)的重復(fù)性 固晶膠量 g . 適應(yīng)溫度范圍 金球大小 金球位置 金線弧度 ESD 防護(hù) 結(jié)凈度 溫濕度 4）工藝條件 固晶膠烘烤的溫度、時(shí)間和進(jìn)

14、程 焊線的加熱溫度、壓力、超聲強(qiáng)度、時(shí)間 封膠的前、后固化溫度、時(shí)間、進(jìn)程（Tg） 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和條件 2. 芯片失效： a 根據(jù)應(yīng)用要求正確選用芯片； b 嚴(yán)格按固晶、焊線的工藝條件和作 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制固晶焊線制程； c 必要時(shí)做好芯片表面的保護(hù)和歐姆 接觸的應(yīng)力保護(hù)； d 對(duì)芯片的測(cè)試和使用必須按規(guī)定條 件進(jìn)行； e 做好 ESD 防護(hù)，如選用帶 ESD DIODE 的芯片(如右圖。 3. 電過應(yīng)力失效 中國(guó)廣州市花都區(qū)汽車城東風(fēng)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(yán)格按規(guī)定條件驅(qū)動(dòng) LED， 超出額定電流驅(qū)動(dòng) LED 將 嚴(yán)重影響 LED 的壽命和可靠 性； 2）在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)電路的實(shí)際情況在 LED 正向加適當(dāng)?shù)南蘖麟娮?，?LED 反向加 適當(dāng)?shù)母唠妷汗瓒O管作保護(hù)，以防止瞬間大電流、高電壓對(duì) LED 的沖擊； 3）切實(shí)做好 ESD 防護(hù)。 4. 熱過應(yīng)力失效 1 必須在 LED 規(guī)定的結(jié)溫范圍內(nèi)，超出規(guī)定結(jié)溫范圍使用 LED 將嚴(yán)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(dāng)?shù)纳釞C(jī)構(gòu)對(duì) LED 作二次散熱， 以確保 LED 在規(guī)定的結(jié)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(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)哪z水粘合，否則會(huì)因膠水的導(dǎo)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(shí)，務(wù)必考慮其夾層的介電能力， 否則有產(chǎn)生短路的可能； 4）嚴(yán)格按規(guī)定的條件控制 LED 的焊接溫度和時(shí)間。 六. 結(jié)束語 LED 要真正進(jìn)入大照明領(lǐng)域，除了要有高標(biāo)準(zhǔn)的初始特性和良好的性價(jià)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(duì)其失效原因和 機(jī)理， 設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)， 選用適當(dāng)?shù)目煽啃愿叩脑牧希?嚴(yán)格按工藝條件和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)的市場(chǎng)需求。同時(shí)，我們還必須用 心引導(dǎo)用戶正確使用 LED，以提高 LED 的應(yīng)用可靠性。 我希望， 政府有關(guān)部門要大力宣傳 LED 可靠性的重要性， 推動(dòng)并支持建立具有公信力的 LED 可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)立獨(dú)立的 LED 可靠性實(shí)驗(yàn)室和認(rèn)證機(jī)構(gòu)，以保障 LED 產(chǎn)業(yè)健康地發(fā)展；學(xué) 界要加強(qiáng)