发光二极管可靠性和寿命评价试验方法_图文(精)

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发光二极管失效分析_图文(精)

发光二极管失效分析蔡伟智(厦门三安电子有限公司 , 福建厦门 361009摘要 :基于发光二极管 (LE D 所具有的特点 , 系统地总结出一套发光二极管失效分析方法 , 并给出了几个典型失效分析案例 , 简要阐述了失效分析过程中的注意事项。

通过失效分析 , 进一步优化和改善了 LE D 的制造技术 , 达到提高质量和可靠性的目的。

该方法在失效分析过程中具有一定的指导意义。

关键词 :发光二极管 ; 失效分析 ; 解剖 ; 金相学中图分类号 :T N312+18文献标识码 :A 文章编号 :10032353X (2007 032255204F ailure Analysis for Light Emitting DiodeCAI Wei 2zhi(Xiamen Sanan Electronics Co 1, Ltd 1, Xiamen 361009, ChinaAbstract :Based on the properties of light , was summarized , and several kinds of exam ples for , regulation analysis were explained. the further optimized and im proved for raising the of to the method of failure analysis for LE D 1 K ey LE ; analysis ; dissect ; metallography1引言和半导体器件一样 , 发光二极管 (LE D 早期失效原因分析是可靠性工作的重要部分 , 是提高 LE D 可靠性的积极主动的方法。

LE D 失效分析步骤必须遵循先进行非破坏性、可逆、可重复的试验 , 再做半破坏性、不可重复的试验 , 最后进行破坏性试验的原则。

采用合适的分析方法 , 最大限度地防止把被分析器件(DUA 的真正失效因素、迹象丢失或引入新的失效因素 , 以期得到客观的分析结论。

可靠性LED加速老化寿命试验方法概论

一、可靠性理论基础1.可靠度：如果有N个LED产品从开始工作到t时刻的失效数为n(t)，当N足够大时，产品在t时刻的可靠度可近似表示为：随时间的不断增长，将不断下降。

它是介于1与0之间的数，即。

2.累积失效概率：表示发光二极管在规定条件下工作到t这段时间内的失效概率，用F(t)表示，又称为失效分布函数。

如果N个LED产品从开始工作到t时刻的失效数为n(t)，则当N足够大时，产品在该时刻的累积失效概率可近似表示为：3.失效分布密度：表示规定条件下工作的发光二极管在t时刻的失效概率。

失效分布函数的导函数称为失效分布密度，其表达式如下：•早期失效期；•偶然失效期(或稳定使用期) ；•耗损失效期。

二、寿命老化：LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。

器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为：B t为t时间后的亮度，B0为初始亮度。

通常把亮度降到B t=0.5B0所经历的时间t称为二极管的寿命。

1. 平均寿命如果已知总体的失效分布密度f（t），则可得到总体平均寿命的表达式如下：2. 可靠寿命可靠寿命T R是指一批LED产品的可靠度下降到r时，所经历的工作时间。

T R可由R（T R）=r求解，假如该产品的失效分布属指数分布规律，则：即可求得T R如下:3. 中位寿命中位寿命T0.5指产品的可靠度R(t)降为50%时的可靠寿命，即：对于指数分布情况，可得：二、LED寿命测试方法LED寿命加速试验的目的概括起来有：•在较短时间内用较少的LED估计高可靠LED的可靠性水平•运用外推的方法快速预测LED在正常条件下的可靠度；•在较短时间内提供试验结果，检验工艺；•在较短时间内暴露LED的失效类型及形式，便于对失效机理进行研究，找出失效原因；•淘汰早期失效产品，测定元LED的极限使用条件1. 温度加速寿命测试法由于通常LED寿命达到10万小时左右，因此要测得其常温下的寿命时间太长，因此采用加速寿命的方法。

半导体发光二极管测试国标(精)

基于LED各个应用领域的实际需求，LED的测试需要包含多方面的内容，包括：电特性、光特性、开关特性、颜色特性、热学特性、可靠性等。

1、电特性LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。

由图1可知，LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压，LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。

通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED的最佳工作电功率。

图 1 LED伏安特性曲线LED电特性的测试一般利用相应的恒流恒压源供电下利用电压电流表进行测试。

2、光特性类似于其它光源，LED光特性的测试主要包括光通量和发光效率、辐射通量和辐射效率、光强和光强分布特性和光谱参数等。

（1）光通量和光效有两种方法可以用于光通量的测试，积分球法和变角光度计法。

变角光度计法是测试光通量的最精确的方法，但是由于其耗时较长，所以一般采用积分球法测试光通量。

如图2所示，现有的积分球法测LED光通量中有两种测试结构，一种是将被测LED放置在球心，另外一种是放在球壁。

_h:^E8(_ d图 2 积分球法测LED光通量此外，由于积分球法测试光通量时光源对光的自吸收会对测试结果造成影响，因此，往往引入辅助灯，如图3所示。

图3 辅助灯法消除自吸收影响在测得光通量之后，配合电参数测试仪可以测得LED的发光效率。

而辐射通量和辐射效率的测试方法类似于光通量和发光效率的测试。

（2）光强和光强分布特性图4 LED光强测试中的问题如图4所示，点光源光强在空间各方向均匀分布，在不同距离处用不同接收孔径的探测器接收得到的测试结果都不会改变，但是LED由于其光强分布的不一致使得测试结果随测试距离和探测器孔径变化。

因此，CIE-127提出了两种推荐测试条件使得各个LED在同一条件下进行光强测试与评价，目前CIE-127条件已经被各LED制造商和检测机构引用。

大功率发光二极管的寿命试验及其失效分析_图文(精)

《半导体光电》2005年4月第26卷第2期郑代顺等:大功率发光二极管的寿命试验及其失效分析光电器件大功率发光二极管的寿命试验及其失效分析郑代顺1, 钱可元1, 罗毅1,2(1. 清华大学深圳研究生院半导体照明实验室, 广东深圳518055; 2. 清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室, 北京100084摘要:以GaN 基蓝光L ED ED 的方法制备了白光L ED 。

析。

结果表明, 大功率L ED , 缺陷的生长和无辐射复合中心的形成, , , 以及封装体中各成分之间热膨胀系数L ED 的失效。

; L ED ; 白光L ED ; 寿命试验; 失效机理:TN312. 8文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2005 02-0087-05Life T est and F ailure Mechanism Analyses for High 2pow er L EDZH EN G Dai 2shun 1, Q IAN Ke 2yuan 1, L UO Y i 1,2(1. Laboratory on Semiconductor Lighting , G radu ate School at Shenzhen , Tsinghu a U niversity ,Shenzhen 518055,CHN; 2. State K ey Laboratory on I ntegrated Optoelectronics ,C ollege of E lectronic E ngineering , T singhu a U niversity, B eijing 100084,CHNAbstract :High 2power blue light 2emitting diodes were fabricated wit h t he blue L ED chip s as primary light source ,and high 2power white L EDs were fabricated by p hosp hor conversion. Life of high 2power blue and white L EDs was measured , and t he failure mechanism was investigated. Result s show t hat t he light outp ut of L EDs degrades exponentially wit h t he time ,t he growt h of defect s and formation of nonradiative recombinatio n centers , quant um efficiency reduction of p ho sp hor , t he dest roy of static electricity , breakage of metallization layer and solder instability for flip 2chip , and mechanical st ress wit hin t he L ED package caused by t he variations in ambient temperat ure and self 2heating ,and so on ,will result in t he failure for high2power L EDs.K ey w ords :high 2power ; blue L ED ; white L ED ; life test ; failure mechanism1引言自1968年利用氮掺杂工艺使GaAsP 红色发光二极管(L ED 的发光效率达到1lm/W 以来,L ED 的研究得到迅速发展。

LED加速寿命和可靠性试验

LED加速寿命和可靠性试验浙江省半导体照明测试系统工程技术研究中心杭州远方光电信息股份有限公司光电科学研究所摘要：LED的寿命和可靠性得到了业界的高度重视，但其试验方法极具挑战。

目前已有关于LED寿命试验的标准相继出台，然而不同区域的标准要求又有所不同。

本文分析了LED可靠性和寿命相关的关键指标，并以北美体系和国际电工委员会（IEC）体系为主线，介绍了LED加速寿命的试验方法。

同时还介绍具有我国自主知识产权的LED加速老化和寿命测试系统能够满足现有各种标准要求，实现方便、快速、精准的智能化试验。

1.概述随着近年来LED光效的不断提升，LED的寿命和可靠性越来越受到业界的重视，它是LED产品最重要的性能之一。

寿命是可靠性的终极表现，然而LED的理论寿命很长，像传统光源采用2h45min开、15min关的循环测试到寿命终了，对LED 产品的测量显然不现实。

因此有必要对LED产品采用加速老化寿命试验[1]，同时，也应当测试LED的热学特性、环境耐候性、电磁兼容抗扰度等与寿命和可靠性密切相关的性能，以综合分析LED的寿命。

2.LED可靠性和寿命相关的关键指标LED产品制造中的每一个元件和环节都会对其可靠性和寿命产生影响，例如，LED结和基板的虚焊、LED荧光粉的热猝灭和退化、封装材料的退化以及驱动器的失效等，最后退化的可能才是半导体（PN结）本身。

这些因素导致LED产品失效（退化）的方式也不尽相同，一般可分为缓变退化（gradual degradation）和瞬变退化（abrupt degradation）。

LED的缓变退化（失效）指标主要包括：流明维持率下降，即光衰，一般以初始光通量为100%，当LED产品的流明维持率下降到初始值的70%或50%时，认为LED失效，流明维持寿命相应记为L50或L70；颜色漂移，受到荧光粉或封装材料的变化，LED的颜色会在寿命期间内发生漂移，该漂移应在指定范围以内（如△u’v’≤0.007），超过范围则视为LED失效；电性能变化，电性能变化能更为直观地监测；开关次数，开关可能会对驱动等电路产生一定影响；热阻变化和其它热特性参数曲线，热特性与寿命息息相关，对热特性的测量和分析有助于找出LED可靠性的薄弱环节；LED的瞬变退化（失效）即LED的光输出突然降为0，其主要退化包括：抗电磁干扰能力：静电放电、雷击浪涌、快速群脉冲、周波跌落；高低温冲击耐受性特性；盐雾、耐湿、振动等。

发光二极管的测试方法

电特性测试方法： 1．正向电压：目的：测量器件在规定正向工作电流下，两电极间产生的电压降。

测试原理：D ——被测器件； G ——恒流源； A ——电流表； V ——电压表。

正向电压测量原理图测量步骤：正向电压的测量按下列步骤进行： a) 按图连接测试系统，并使仪器预热；b) 调节恒流源，使电流表读数为规定值，这时在直流电压表上的读数即为被测器件的正向电压。

规定条件：——环境或管壳温度； ——正向偏置电流。

2．反向电压：目的：测量通过器件的反向电流为规定值时，在两电极之间产生的反向电压。

G测量原理：D ——被测器件； G ——稳压源； A ——电流表； V ——电压表。

反向电压测量原理图测量步骤：反向电压的测量按下列步骤进行： c) 按图连接测试系统，并使仪器预热；d) 调节稳压电源，使电流表读数为规定值，这时在直流电压表上的读数即为被测器件的正向电压。

规定条件：——环境或管壳温度； ——反向电流。

3．反向电流：目的：测量在被测器件施加规定的反向电压时产生的反向电流。

测量原理：V A+-GV +-GD——被测器件；G——稳压源；A——电流表；V——电压表。

反向电流测量原理图测量步骤：反向电压的测量按下列步骤进行：e)按图连接测试系统，并使仪器预热；f)调节稳压电源，使电流表读数为规定值，这时在直流电压表上的读数即为被测器件的正向电压。

规定条件：——环境或管壳温度；——反向电压。

4．总电容：目的：在被测器件施加规定的正向偏压和规定频率的信号时，测量被测器件两端的电容值。

测量原理：D——被测器件；——隔离电容；CA——电流表；V——电压表L——电感。

总电容测量原理图测量步骤：总电容的测量按下列步骤进行： g) 按图连接测试系统，并使仪器预热；h) 调节电压源和调节电容仪，分别给被测器件施加规定的正向偏压和规定频率的信号，将电容仪刻度盘上读数扣去电容C 0等效值即为被测器件总电容值。

规定条件：——环境或管壳温度； ——正向偏置电压；——电容仪提供规定频率的信号。

LED灯寿命试验方法

3、树脂劣变对寿命试验的影响
现有的环氧树脂封装材料受紫外线照射后透明度降低，是高分子材料的光老化，是紫外线和氧参与下的一系列复杂反应的结果，一般认为是光引发的自动氧化过程。树脂劣变对寿命试验结果的影响，主要体现1000小时或以上长期寿命试验，目前只能通过尽可能减少紫外线的照射，来提高寿命试验结果的果客观性和准确性。今后还可通过选择封装材料，或者检定出环氧树脂的光衰值，并将其从寿命试验中排除。
4、封装工艺对寿命试验的影响
封装工艺对寿命试验影响较大，虽然采用透明树脂封装，可用显微镜直接观察到内部固晶、键合等情况，以便进行失效分析，但是并不是所有的封装工艺缺陷都能观察到，例如：键合焊点质量与工艺条件是温度和压力关系密切，而温度过高、压力太大则会使芯片发生形变产生应力，从而引进位错，甚至出现暗裂，影响发光效率和寿命。
第三，一般地说，抽样数量越多，风险性越小，寿命试验结果的结果越准确，但是，抽样数量越多抽样数量过多，必然造成人力、物力和时间的浪费，试验成本上升。如何处理风险和成本的关系，一直是我们研究的内容，我们的目标是通过采取科学的抽样方法，在同一试验成本下，使风险性下降到最低。
2、光电参数测试方法与器件配光曲线
LED具有高可靠性和长寿命的优点，在实际生产研发过程中，需要通过寿命试验对LED芯片的可靠性水平进行评价，并通过质量反馈来提高LED芯片的可靠性水平，以保证LED芯片质量，为此在实现全色系LED产业化的同时，开发了LED芯片寿命试验的条件、方法、手段和装置等，以提高寿命试验的科学性和结果的准确性。
●寿命试验条件的确定
根据寿命试验条件的要求，LED可采用并联和串联两种连接驱动形式。并联连接形式：即将多个LED的正极与正极、负极与负极并联连接，其特点是每个LED的工作电压一样，总电流为ΣIfn，为了实现每个LED的工作电流If一致，要求每个LED的正向电压也要一致。

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第29卷第4期应用光学 V01.29No.4 2008年7月 Journal of Applied 0ptics JuI.2008文章编号:1002—2082(200804一0533一04大功率发光二极管可靠性和寿命评价试验方法贺卫利,郭伟玲,高伟,史辰,陈曦,吴娟,陈建新(北京工业大学电控学院光电子技术实验室,北京100022摘要:介绍了发光二极管(LED的发展简史。

提出可能影响LED可靠性的几种因素,主要有封装中的散热问题和LED本身材料缺陷。

对于LED可靠性,主要方法是通过测试其寿命来分析其可靠性,一般采取加速实验的方法来测试推导LED寿命。

介绍了根据加速应力(主要分为单一加速应力和复合加速应力2种评价LED寿命的测试方法。

在不同加速试验应力条件下测试了大功率LED可靠性,并建立了LED寿命的几种数学模型。

最后根据具体实例,通过选择加速应力和试验方法,给出具体推导LED寿命的数学公式。

关键词:发光二极管;寿命评价试验方法;加速应力;数学模型中图分类号:TN384文献标志码:ATest method of life—time and reliability eValuation for high—power LEDHE Wei—li, GUO Wei—ling,GA0 (0ptoelectronic Technology Lab, Wei,SHI Chen,CHEN Xi,Beijing University of Technology,WU Juan,CHEN Jian—xin Beijing 100022,ChinaAbstract:The development history of the light—emitting diode(LEDis introduced. SeVeral factors influencing LED reliability are put forward,among which the materialdefectiVeness of LED and the heat dissipation during packaging are the main factors.The reliability eValuation of LED is analyzed by testing the LED lifetime,which is usually derived from the accelerated test. The testing methods to evaluate LED lifetime according to the accelerated stress(single and composite accelerated stressesare listed and introduced. The reliability of high—power LEDs was tested and several mathematical models of the LED lifetime were derived under different accelerated stresses. The mathematical formula for deriving the LED lifetime is given based on some examples.Key words:light—emitting diode (LED; testing method of lifetimeeValuation;accelerated stress;mathematical model引言自1968年利用氮掺杂工艺使GaAsP红色发光二极管(LED的发光效率达到1lm/w以来,LED 的研究得到迅速发展。

1985年,采用液相外延法, 使得AlGaAs LED 的发光强度首次突破1cd…。

20世纪90年代初对于InGaAlP四元系材料的研究, 不仅大大提高了LED的效率,还将高亮度LED的光谱从红光扩展到黄光和黄绿光[2。

]。

20世纪90年代中期,Nakamura等人[5也采用MOCVD方法成功制备出高亮度InGaN/AlGaN双异质结蓝光 LED和InGaN量子阱结构紫外LED。

GaN基蓝光 LED的出现及其效率的迅速提高,使LED得以形收稿日期:2007-05—22;修回日期:2007一09—18资助项目:北京市教委项目(10200650作者简介:贺卫利(1981一,男,河北唐山人,硕士研究生,主要从事大功率白光LED的寿命测试以及可靠性的研究。

E—mail:hwl007@万方数据・534・应用光学 2008。

29(4 贺卫利,等:大功率发光二极管可靠性和寿命评价试验方法成三基色完备的发光体系.并使白光LED的研制成为可能。

实现白光LED的技术途径主要有2条:一是采用红、绿、蓝三基色混合生成白光;二是通过荧光粉转换的方法实现白光,目前以后者居多[71¨。

功率型白光LED是半导体照明的核心,研究开发高效大功率白光LED外延、芯片及封装技术是业界永恒的主题。

目前大功率LED在可靠性方面还有不足之处,关于大功率发光二极管的寿命测试方法和数据报道也仍显不足。

以此可以看出, 大功率I。

ED的可靠性研究尤其是寿命评价测试具有非常重要的意义。

1影响LED可靠性的因素1.1封装中的散热问题封装过程中的散热是必须解决的一个重要问题。

早期的GaN基LED可靠性研究观察到光输出迅速降低的一个重要原因是由于蓝光与紫外线辐射的温度升高,导致封装材料的透明度下降。

长时间接受紫外线的辐射会降低许多聚合物的光学透明度,而GaN带间辐射复合会产生紫外线,所以认为紫外辐射引起封装料退化是合理的。

对于封装材料的热退化,有试验研究表明:塑料在150C左右会由于单纯的热效应使LED的光输出减弱,尽管在寿命试验中没有发现塑料封装的外观呈褐色。

但与LED接触的部分可能发生了变化。

进一步研究发现,环境温度为95C,驱动电流≥40mA时,结温超过了145C,非常接近塑料变色的温度;当驱动电流小于30mA时,结温小于 135C,与之对应的LED退化率也很小,所以引起塑料封装材料变化,对LED 寿命有重要影响的温度范围是135C~145C;另外,在大电流条件下, 封装材料甚至会碳化,在器件表面生成不透明物质,或者碳化物质在表面形成电导通道,导致器件失效。

由于小功率GaN基LED的正常工作电流是 20mA,远小于试验电流,封装材料碳化这种比较极端的失效方式只可能出现在加速寿命试验中,在正常工作时,封装材料应该是缓慢退化的。

1.2LED材料中的缺陷LED材料中的缺陷会引起器件光输出的衰减,半导体薄膜材料中的晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。

由于缺陷对载流子具有较强的俘获作用,在发光二极管制备过程中引入缺陷将在有源层中形成无辐射复合中心,增加了光吸收。

使得器件发光效率降低。

而注入载流子的无辐射复合又会使能量转化为晶格振动,导致了缺陷的运动和增殖:11m]。

1.3其他因素静电导致器件灾变性失效;电极性能不稳定导致器件灾变性失效;荧光粉引起白光LED光输出衰减等,这些都可以影响LED的寿命和性能。

2实验方法和理论模型2.1加速试验的意义及分类所谓加速试验是在比规定使用条件(正常条件更短的时间内确保获得所需可靠信息的试验。

那些通过加强试验应力使试验加速的试验称为强化试验。

寿命试验是可靠性试验的主要项目,对于大多数机电产品。

其寿命试验只能进行加速试验, 以节省费用和缩短产品开发周期。

按试验应力的施加方式(时间特性,加速试验分为3种:1恒定应力加速试验。

在试验全过程中保持试验应力不变,程序简单,应用广。

2步进应力加速试验。

也称阶梯应力加速试验。

在试验进程中,试验应力呈阶梯状上升,直至发生破坏。

应力升距和时间步长的变化,可构成不同试验方案。

3序进应力加速试验。

试验应力随时间连续递增, 可获得很大加速性,但操作复杂,应用少H争14j。

2.2设计加速试验的原则2.2.1明确失效定义对于突变失效,容易区别正常状态与失效状态。

而对于由于性能退化和参数漂移引起的渐变失效,则必须明确失效判据或极限状态的定义。

这种失效定义可以是针对整个产品的,也可以是针对决定产品寿命的关键零部件的,视产品特点而定。

2.2.2明确加速应力产品的可靠性和耐久性受其整个寿命剖面中各种因素的影响,包括载荷、环境、工作方式等。

应列举出所有能在使用(或储存条件下导致失效或使工作能力退化的因素。

根据失效定义及失效机理,明确寿命耗损的主导过程,确定对产品或其关键零部件工作能力影响显著的那些因素,并从中选定一个或数个进行强化,即使其在加速试验中的水平高于正常状态的水平。

这些强化作用因素称为加速因素或加速应力。

选择加速应力除考虑加速性即在加速失效意义上的强化有效性外,还应考虑实践上的可行性,即改变应力水平的技术可能性。

2.2.3明确强化极限在选定加速应力即强化因素之后,还要确定强万方数据应用光学2008,29(4 贺卫利。

等:大功率发光二极管可靠性和寿命评价试验方法・535・化水平。

从加速失效及损伤累积过程上看,应力水平越高越有效,但应力不能随意提高。

在很多情况下存在强化极限,应力水平超过此极限将导致失效机理的改变,加速试验将失去意义。

为了使加速试验具有相似性,必须保证试验中失效机理守恒。

因此,应遵守如下原则:加速应力水平<强化极限。

标志试验方案加速性的参数是加速系数。

其定义是,基准应力条件的试验与某种应力条件下的加速试验达到相等的累积失效概率所需的时间之比。

设A.为寿命L的加速系数,厶为基准(正常应力下的寿命,厶,为加速应力下的寿命,则AL=厶/L (1 2.3单一应力加速试验该试验只有一种加速应力,加速应力与产品寿命的理论关系由加速试验数学模型描述。

2.3.1阿伦纽斯模型此模型广泛应用于产品寿命为温度函数的情况,即加速应力只有温度,产品的失效是由于化学反应或金属扩散而导致退化的。

半导体与微电子器件,电绝缘与电介质材料、电池、塑料以及金属材料 (蠕变等都可采用温度加速试验。

阿伦纽斯提出的寿命模型为L(7’=肌x p(争j (2 式中:L(丁为产品在温度丁下的寿命;T为产品的工作温度(热力学温度;A 7和B为与材料性质有关的常数。

对(2式取对数得到直线加速方程: lnL(丁一A+B(手 (3 这表明在lnL一(1/丁图上模型呈直线关系,用作图法可求得A(截距和B(斜率。

由加速直线外推到正常温度(1/丁^.,从而得到lnL(7'^.。

加速系数可表示为At=L(丁?/L(丁=exp[一B△(手J](4 式中:丁,和7’分别为正常温度与加速温度(K;且有:△(参一手一乒 c5, 2.3.2阿伦纽斯一指数模型由于很多产品的寿命在温度丁时服从指数分布,则寿命￡=MTTF=伊(7’,由(3式可得阿伦纽斯一指数模型为ln[汐(7’]-以+Bl亭}(6 表示为故障率与温度的关系:ln[A(丁]=一A一召l丰l (7 \1/电子元器件常用故障率作为可靠性指标。