LED壽命測講文檔復(fù)習(xí)過程

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED壽命測講文檔-LED的壽命及壽命時間測試一.慨述如所周知，電子元器件從制造廠生產(chǎn)出來后，經(jīng)過貯存、運輸、到用戶使用，期間會受到各種應(yīng)力(指溫度、濕度、電力和機械力等應(yīng)力)作用，這些應(yīng)力對構(gòu)成器件的各種材料及材料之間、對器件表面、金屬化系統(tǒng)等會造成劣化反應(yīng)，使其隨著時間的延長,器件內(nèi)部不斷進行著緩慢的化學(xué)、物理反應(yīng)，使其效能不斷下降，直至失去應(yīng)有的功能，即所謂的失效。電子元器件的可靠性,通常用失效率來評估,它定義為：=n/N*t。式中：n-器件試驗期的失效數(shù)；N-器件試驗總數(shù)；t-試驗總時間：t1+

2、t2+t3+-tn。失效率的單位為Fit，1Fit=10-9/h,也即是100萬器件,在工作1000h后有1個失效，或者10萬個器件工作10000h，有1個失效。對不可俢復(fù)的電子元器件的可靠性,也有用平均失效前時間MTTF來評估，LED是不可修復(fù)的器件,適用MTTF。而MTBF僅對可修復(fù)的電子產(chǎn)品,如LED燈具,它可修委復(fù),可用MTBF,即兩故障間隔時間來評估。無論MTTF或MTBF均不涉及應(yīng)力,僅是統(tǒng)計性可靠性評估參數(shù),因此在這里不作詳述。對于電子元器件,特別是半導(dǎo)體器件，實踐證明,應(yīng)力是影響可靠性的主要因素，對于電子器件,溫度這一熱應(yīng)力最為敏感，器件上溫度升高，會加快其性能劣化的化學(xué)、物理

3、反應(yīng)，也即有所謂的“十度法則”，溫度升高10,器件壽命減半,失效過程會加快進行。LED器件或LED光源同樣如此。自十九世紀(jì)未以來,科學(xué)家們對各種熱、濕、電、機械、氣氛等外部應(yīng)力對電子器件產(chǎn)生的緩慢性化學(xué)物理反應(yīng)進行了大量的分析研究,總結(jié)了由各種應(yīng)力導(dǎo)致的器件性能退化,以及相互間的依賴關(guān)系,建立了應(yīng)力-失效模型。目的是用以來確定不同應(yīng)力條件下對器件壽命的影響。這些模型(或方程)中較著名的有：(a).溫度(熱)應(yīng)力-緩慢退化模型,即所謂的Arrhenius模型,這是由荷蘭化學(xué)家JackbnsHolf在1884年總結(jié)的,是目前使用最廣泛的分析熱應(yīng)力引起電子器件功能退化的模型。(b).電應(yīng)力-緩慢退化

4、模型,即愛倫(Eyrin)模型。Eyrin模型總結(jié)了器件壽命與電應(yīng)力之間呈逆冪律關(guān)系。(c).隨器件工作時間t-緩慢退化模型,即亞瑪卡西模型,亞瑪卡西給出了電子器件隨時間緩慢退化的亞瑪卡西方程。利用上述3類模型或方程,可評測電子元器件可靠性,是推算電子器件壽命時間的基本理論依據(jù),對LED或LED光源同樣適用。本文就LED和LED光源的壽命時間,及其試驗方法作一些入門性介紹,供作參考！LED的壽命判據(jù)及其退化模型1.LED的壽命判據(jù)CLED作為半導(dǎo)體發(fā)光器件,在其使用過程中會隨著使用時間的增長,發(fā)生緩慢退化。其主要表現(xiàn)為其輻射出的光能，會逐步衰退,對于照明用LED或LED光源,則表現(xiàn)在其輸出光通

5、量隨使用時間增長而下降,我國己頒布的LED標(biāo)準(zhǔn)中,規(guī)定當(dāng)LED輸出的光通量隨時間t下降到其初始值的70(即光衰30)時,此時的時間t為器件壽命終止時間t(life),也就是以30光衰作為LED的壽命判據(jù)C。即C=0.7。但對LED的壽命判據(jù),目前還未定論,這方面主要是除用光通量退化作判據(jù)參數(shù)外,有人認為,LED的色溫、顯色性指數(shù)、色容差等也很重要,也應(yīng)列入作判據(jù)參數(shù)。美國照明工程學(xué)會(IES)在其研制的可以較短試驗時間推斷LED在不同使用時段的流明維持量的試驗方法文件中提出：用“L70/B50”的LED壽命判據(jù),即LED試驗樣品中工作到其中50的器件的光通量下降到初始值的70時的時間,為壽命時

6、間t(life)。可見各國對LED可靠性試驗方法都十分重視！2.LED隨使用時間t的退化模型LED或LED光源,隨使用時間t的延長,其電-光轉(zhuǎn)換效率會緩慢下降,且遵循亞瑪卡西方程,即有：(t1)=(t0)exp(-t)-(1)式中：(t1)為使用到時間t1時的光通量；(t0)為初始t0時的光通量；為LED的光衰系數(shù)。(1)中的是與LED在使用時受到的應(yīng)力相關(guān)聯(lián)以應(yīng)力為變量的函數(shù),且主要是與熱應(yīng)力和電應(yīng)力相關(guān),對LED而言,與LEDPN結(jié)上的溫度Tj相關(guān),是溫度Tj的函數(shù)。圖1.是美國Cree公司給出的LED產(chǎn)品在不同Tj下的-t的關(guān)系曲線。圖1.LED在不同Tj下的-t曲線由(1)式我們可以利

7、用壽命判據(jù)C,推導(dǎo)出LED壽命時間t(life)的表達式：(t1)/(t0)=exp(-t)-(2)用壽命判據(jù)：C=(t1)/(t0)=0.7,并將其代入(2)式,即有：exp(-t)=0.7,兩邊取對數(shù)可得：t(life)=(ln0.7)/-(3)顯然,只要知道LED在不同結(jié)溫Tj下的光衰系數(shù)(Tj)的數(shù)值,就可求得LED不同Tj時的壽命時間t(life),單位為小時。也可繪制出如圖1.所示的LED在不同Tj下的-t特性曲線。3.LEDTj-的關(guān)聯(lián)模型LEDTj-的關(guān)聯(lián)模型即阿倫尼斯模型,它是以溫度T為變量的衰退加速方程,對于LED可表為：(Tj)=(0)exp(-Ea/kT)-(4)式中：

8、(Tj)是結(jié)溫為Tj時的光衰系數(shù)；(0)是器件常數(shù)；Ea是LED材料決定的激活能(0.45ev)；k是玻爾茲曼常數(shù)(8.6210-5ev/T)T是絕對溫度(K)。利用LED退化模型估測LED壽間時間利用上述的二種電子器件退化模型,在己知的一些可測參數(shù)基礎(chǔ)上,可以估算出LED在不同Tj下的壽命時間t(life),即可得到類似圖1的曲線。我們以一個例子來加以說明這二種模型的應(yīng)用：假設(shè)：己知某一個大功率白光LED有如下己知參數(shù)：其初始光通量為：(0)=100lm,在Tj=125下,進行滿功率老化1000h后,測得光通量為(1000h)=96lm,此GaNLED的Ea=0.45ev,有了這些數(shù)據(jù),我們

9、可估算出此LED在Tj=85條件下的工作壽命時間t(Life)為多少小時。由阿倫尼斯退化方程,可得：(125)=(0)exp-0.45/k(273+125)=(0)exp(-12.83)=2.6810-6；再由亞瑪卡西方程得到：(1000h)=(0)exp-(125)*1000hln(1000h)/(0)=-(125)*1000h(125)=(-1/1000)*ln(96/100)得到：(125)=4.0810-5于是，可求出這一LED的器件常數(shù)(0)：(0)=(125)/(2.6810-6)=(4.0810-5)/(2.6810-6)=15.22現(xiàn)在可以求出Tj=85下且C=0.7時,的(8

10、5),以及它的的壽命時間t(life)：(85)=(0)exp(-0.45/8.6210-53)(85)=15.22exp(-14.26)=9.7410-6于是有：t(life)=ln0.7/-(85)=0.357/9.7410-6=3.66104Tj=85時,這個LED的壽命時間約為36600小時。三.LED的壽命試驗1.用Lv來反映LED壽命時間上述例子實際上是反映LED在一定的熱應(yīng)力Tj作用下，工作一定時間t后的光通量維持率Lv與其壽命時間t(life)的相關(guān)性,Lv越高,其壽命越長，近期國家頒布的一系列有關(guān)LED照明燈具的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，都對光通維持率Lv作硬性規(guī)定,例如對LED路燈,規(guī)定

11、3000小時的光通維持率Lv96,從而確保其壽命時間不低于35000h。知道了Lv的值,就可利用上述退化模型求出t(life)。有興趣可以試算一下在Ta=55,Lv=96,LED光源熱阻為8/w時的LED的t(life)。LED的流明維持率的測試,十分費時,美國制訂的LM80,主要用來測試LED器件、陣列、模組在不同Ta(環(huán)境溫度,也可映射結(jié)溫Tj)下的流明維持量,測試以1000h為一時段,至少6000h-10000h,對于發(fā)展十分迅速的LED產(chǎn)品,本批測試(10000h,即1年二個月)未結(jié)速,可能面臨不再生產(chǎn),己被更新。為此,IES技術(shù)委員會提出TM21,它可用較短時間來對LED的流明維持率

12、Lv進行測試推斷,提高對LED可靠性推測的效率。2.加速壽命試驗簡介對工業(yè)化生產(chǎn)的LED企業(yè)來講,要對LED器件或LED燈具進行3000h,6000h,乃至10000h的電老化試驗,除少量驗證性的型式試驗外,顯然效率太低,必須尋找效率高,又能科學(xué)地反映其退化規(guī)律的壽命測試方法,即所謂加速試驗方法,即用超額定應(yīng)力使其加快退化,從而外推到正常應(yīng)力下的退化率，從而能加快測試進程,可縮短試驗時間,提高效率。加速壽命試驗方法可分為：(1).恒定應(yīng)力法；(2).序進應(yīng)力法；(3).步進應(yīng)力法。恒定應(yīng)力法是指對被試器件加一高于額定值的應(yīng)力,測其功能衰退的速率,在此基礎(chǔ)上推算其正常應(yīng)力下的壽命時間；序進應(yīng)力法

13、是指加在被試器件上的應(yīng)力隨時間連續(xù)增強,同時測其衰退數(shù)值,并據(jù)此推算其正常應(yīng)力下的壽命時間；步進應(yīng)力法是指加在被試器件上的應(yīng)力隨時間分段增強的加速壽命試驗。三者原理都是通過施加超額定應(yīng)力,加速器件退化,據(jù)此,用加造方程來推算器件壽命。1.用溫度作加速應(yīng)力(熱應(yīng)力)的加速方程通常由Arrhenius模型可得溫度T(對LED則是Tj)為加速變量的LED器件的加速方程可表為：d(t)/dt=(0)exp(Ea/kT)-(5)式中：d(t)/dt-LED光衰速率；(0)-器件常數(shù)；Ea、K、T含義與之前相同,對GaN的LED取Ea=0.45。激活能Ea是引起半導(dǎo)體器件失效或退化特征能量,可通過實驗求得

14、下表列出的半導(dǎo)體器件的Ea與失效模式、失效機理的關(guān)聯(lián)值失效模式失效機理激活能Ea(ev)閥值電壓漂移SO2鈉離子漂移1.0-1.4漏電流增大形成反型層0.8-1.4電流增益下降離子遷移加速0.8內(nèi)部開路1金屬化腐鉵0.6-0.9內(nèi)部開路2金屬電遷移0.6PN結(jié)短路氧化層擊穿0.3LED光衰復(fù)合率下降0.42-0.45表1.半導(dǎo)體器件各種失效的激活能若被試LED在初始t0時的光通量為(0),當(dāng)老化到t1時的光通量(t1)為0.7(0)時,即達到壽命判據(jù)值時,若所加應(yīng)力Tj與時間t無關(guān)(恒定應(yīng)力Tj),則對(5)式積分可得：(t1)-(0)=(0)*exp(Ea/kT)*(t1-t0)-(6)令=

15、(t1)-(0)；t=t1-t2?？傻茫簍=/(0)exp(Ea/kT)-(7)對(7)式兩邊取對數(shù)得：lnt=ln/(0)+Ea/kT-(8)(8)式也可表為：lnt=a+b(1/Tj)-(9)由(9)式可知,LED壽命時間的對數(shù)與結(jié)溫倒數(shù)成正比,Tj越高壽命t(life)越短。(9)式中：a=ln/(0),b=Ea/kT,可用單邊對數(shù)坐標(biāo)紙繪出方程(9)的t-(1/T)曲線,它是一條a為截距,b為斜率的直線。從(9)可知：t是LED的達到壽命判據(jù)值C的時間,即壽命時間t(life),它的對數(shù)值ln(tlife)與PN結(jié)上絕對溫度Tj的倒數(shù)1/Tj呈線性關(guān)系：Lnt(life)=k*f(1/

16、Tj)-(10)(9)式還可用表繪制不同激活能Ea時的Tj-t(life)關(guān)系曲線,Ea越大t(life)與Tj關(guān)系越敏感,加速試驗時間越短。為此用LED額定結(jié)溫Tj1時的t1(life)與超額定結(jié)溫Tj2時的t2(life)之比為加速系數(shù),即：=t1(life)/t2(life)=expEa/k*(1/Tj2-1/Tj1)。2.電應(yīng)力為加速變量的加速方程雖然，LED壽命時間與結(jié)溫相關(guān)性十分緊密，熱應(yīng)力作變量的加速壽命試驗己成為主要方法,但也有人認為以電應(yīng)力(對LED是If)為變量的加速試驗也應(yīng)為不可忽視的方法之一。電應(yīng)力為加速變量的加速方程可以從前述愛倫(Eyrin)提出的電應(yīng)力逆冪退化模型

17、導(dǎo)出,即有：t(life)=1/p*c(If)-(10)式中：p、c為常數(shù),If一為LED正向電流。對(10)式兩邊取常用對數(shù),可得：Lgt(life)=-clgIf-lgp-(11)式中：C=lgt1(life)-lgt2(life)/lgIf2-lgIf1-(12)P=1/t2(life)*If2-(13)(13)式也可寫作：Lgt=A-Blg(If)-(14)(14)式也是一條截距為A,斜率為-B的直線。電應(yīng)力If越大,壽命時間也越短,(14)式同樣可作出外推圖示。加速系數(shù)可表為：=(If2/If1)c-(15)只要做施加超額定If的加速試驗,確定t2(life)值,再根據(jù)上述方程就可求

18、得正常If下的壽命時間t(life)。對于軍工產(chǎn)品,由于其應(yīng)用環(huán)境惡劣,除用熱、電應(yīng)力試驗外,還要用濕度和機械應(yīng)力,如THB(高溫、高濕、電應(yīng)力)試驗,此時可采用下述加速方程：T(life)=(0)*exp(Ea/kT)*g(If)*f(RH)-(15)式中：(0)*exp(Ea/kT為溫度應(yīng)力的阿倫尼斯方程；g(If)為電應(yīng)力的愛倫方程：g(If)=1/p(If)cf(RH)為濕度應(yīng)力函數(shù)：f(RH)=expD/RH；也有以機械應(yīng)力為加速因子的加速方程；B=n-(16)式中：B是機械應(yīng)力損傷,n是機械應(yīng)力施加次數(shù),是機械應(yīng)力值、是常數(shù)。這些就不多介紹,有興趣者可參閱有關(guān)可靠性的文獻資料。四.結(jié)語當(dāng)前,LED照明應(yīng)用正在向各行各業(yè)拓展,并正在向進入千家萬戶作造勢工作,這就必須重視可靠性方面的工作,否則后患無窮！綜觀當(dāng)前LED產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,除了如Cree、Lmmiled、OSRAM、日亞、豐田合成等國際大企業(yè)能給出其LED產(chǎn)品的可靠性、壽命等與應(yīng)