可靠性-LED加速老化寿命试验方法概论Word文档
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。
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。
LED照明灯具寿命的两种测试方法
LED照明灯具寿命的两种测试方法LED光源的最大特点就是寿命长，可达到50000~100000小时，长时间的监测其光衰情况是不实际的，因此，本标准将通过一种加速寿命试验的方法来预测LED照明灯具的寿命。
适用范围本标准适用于各类LED照明灯具的寿命测试，不包含灯具的电源部分的测试。
技术要求把LED灯具的光输出为初始光输出的70%作为寿命判断失效的指标。
试验方法一结温是影响LED光衰减的重要原因。
结温的升高会使LED光衰很快。
LED在高电流下工作会产生更多得热量，从而加速老化。
本试验方法采用不同的驱动电流，选取5只LED灯具，在25℃环境温度下，用不同电流进行加速寿命试验，得出光输出衰减的数学模型。
数学模型y=exp(-αt)α=m×exp（nI）其中y表示相对光输出，α表示衰减常数，t为点灯时间，m、n为常数，I为测试电流。
根据不同电流下的得到的关于y和t的测试数据，最终得出关于不同灯具的衰减系数α，从而得出光通维持率在70%的寿命值t70%试验方法二采用温度作为恒定的加速应力，推算出在25℃下LED灯具失效判据70%时的期望寿命。
选取5个相同规格的LED灯具，调节烘箱的温度，分别在50℃、80℃、100℃、120℃、150℃条件下，在额定电流、恒流条件作为恒定加速的条件。
记录5组LED可靠性试验过程的所有参数：光输出（照度或光强或光通量）、试验时间、电流、功率、结温等。
采用阿仑尼斯数学模型P=P0exp（-βt）β=β0IFexp（-Ea/kTj）其中P0为初始光输出，P为加温加电t时间后的光输出，β为某一温度下的衰减系数，t为某一温度下的加电工作时间，β0为常数，Ea为激活能，k为波尔兹曼常数，IF为工作电流，Tj 为结温。
•经过公式变换和试验数据得出Ea=[K×In(t2/t1)]/(1/Tj2-1/Tj1)t2=t1×exp[Ea/K(1/Tj2-1/Tj1)从而得出25℃下失效判断为70%的预期寿命。
15,LED可靠性评估的加速寿命试验设计方法_孙晓君
基本设计思想， 可以广泛地应用于常见电子元器件的器件产品质量认证或可靠性评估等试验设计中。
关键词： 发光二极管； 可靠性评估； 置信度； 加速寿命试验； 加速试验设计
中图分类号： TN312+.8
文献标识码： A
文章编号： 1672-5468 （2009） 03-0020-06
Accelerated Life Test Design for the Reliability Assessment of LEDs
m；
电流为 I2 时， 失效时间记为 t2i， i=1， 2， …，
m。
（7）
将式 （7） 结果分别代入式 （4）， 解得 C 和 n
表达式如下：
（8）
（9） 其中：
（10）
对 于 任 意 一 个 工 作 电 流 Iop， 由 下 式 即 可 预 计 失效时间 top 为：
（11） 在上述加速寿命试验中， 在其它外界环境条件 因素保持不变的前提下， 加速应力参数即为电流。 已知失效时间 top， 那么与失效时间相关的其它参量 均可确定： 式 （5） 中的 μ’ 可 依 据 式 （6） 通 过 lntop 求出， 而 σ’ 在对数正态分布中不是加速应力 的函数， 可以通过式 （7） 的试验结果得到。 同时， 可以确定式 （5） 所示的失效概率密度分布函数， 参考式 （1） 提出的失效判据， 设定变量上下限， 对函数积分， 即可得到工作条件下的失效概率或可 靠度。
常在几千小时以上。 当性能要求或失效判据条件不
同时， 器件的工作环境条件决定了它是否能处于正
常的工作状态中。
对于一般的发光器件， 功率输出一般通过测量
发 光 强 度 来 确 定 ， 单 位 ： 坎 德 拉 （candela） 注 ②，
LED用稀土荧光粉试验方法 第8部分：高压加速老化寿命的测定-最新国标
LED用稀土荧光粉试验方法第8部分：高压加速老化寿命的测定1范围本文件规定了350nm~480nm紫外光到蓝光激发LED用稀土荧光粉高压加速老化寿命的试验方法。
本文件适用于350nm~480nm紫外光到蓝光激发LED用稀土荧光粉高压加速老化寿命的测定。
2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T5838荧光粉名词术语GB/T8170数值修约规则与极限数值的表示和判定GB/T24982白光LED用石榴石结构铝酸盐系列荧光粉3术语和定义GB/T5838确立的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1相对亮度relative brightnessBr在规定的激发条件下，荧光粉试样与对应的标准荧光粉的亮度之比。
3.2色品坐标chromaticity coordinate用来表征荧光粉被激发后发光颜色的一组参数，根据CIE-1931标准色度观察者规则计算获得。
3.3高压加速老化寿命测试pressure cooker test荧光粉在121℃，100%相对湿度，2atm极端条件下存储48h性能的变化情况，主要是其色品坐标和亮度的变化情况。
注：本文件中包含相对亮度变化值ΔBp ，以及色品坐标的变化值Δxp、Δyp。
4方法原理将高压加速老化试验箱的温度、相对湿度、箱内压强设置至规定值，待温度、相对湿度、压强达到设定值时，放入荧光粉样品，存储至规定时间，随即取出，烘干并处理为粉末状。
对未处理过的样品和高压加速老化处理过的样品进行相对亮度、色品坐标或其它有关性能的測定，用两者之间差异的绝对值来表示所试验的荧光粉的高压加速老化寿命。
5仪器与装置5.1高压加速老化寿命试验箱：精度±1℃、±2%RH、±0.01atm。
5.2天平：精度0.1g。
5.3培养皿：35×10mm。
加速寿命试验方法
功率Pt较小时可以忽略不计。 Rj-c为结到壳的热阻；Rc-h为壳到热沉的热阻， 当Rc-h在最佳情况下，计算时可以忽略不计；Rh-a为热沉到环境的热阻
9.3 激活能 通过公式<8.2-1>、<9.2-1>、 <9.2-2>求出激活能Ea
Ea
=
K
ln
Lc,(i－1) Lc,i
1 －1
T T j,(i-1)
前言
平均寿命是电子元器件最常用的可靠性参数，发光二极管的平均寿命一般以光通量（光 功率)的衰减值作为单一失效判据来获取试验数据，这时采用本标准给出的一种可缩短试 验时间获取试验数据的方法和比较简易的数据处理程序（简称退化系数外推解析法）。当 白光LED需要考虑色温漂移时，以色温漂移为单一判据的白光LED或同时考虑色温漂移和 光通量衰减具有2个失效判据的白光LED，则采用常规的定数截尾法获取试验数据，并采 用已有的国家标准：寿命试验和加速寿命的简单线性无偏估计法（GB 2689.3－81）、寿 命试验和加速寿命的最好线性无偏估计法（GB 2689.4－81）来进行数据处理，然而这 种情况则需要较长的试验时间，而且数据处理的方法也比较复杂。 因此我们在制定“LED寿命试验方法”的标准分为2个阶段： （1）以光通量（光功率)的衰减值作为单一失效判据来获取试验数据，采用退化系数外推
GB 2689.3－81 寿命试验和加速寿命试验的简单线性无偏估计法（用于威布尔分布）
GB 2689.4－81 寿命试验和加速寿命试验的最好线性无偏估计法（用于威布尔分布）
GB/T 4589.1 －2006 分立器件和集成电路总规范
SJ/T 2355-2006 半导体发光器件测试方法
4
2020/1/22
大功率白光LED加速寿命试验方法与可靠性评估
数 的控 制要 求 。
室 内相 对 湿 度 还 可 以采 用 机 器 露 点 温 度 恒 定或不 恒定 的 方 式 进 行 控 制 。 当 室 内散 湿 量 较
大时， 宜采 用机器 露点 温度 不恒定 的方 式 。
警报 告 、 机维 修提 示 报告 、 风 系统 运行 报 告 、 回风
超 限报警 ； 冻保 护开 关 状 态监 测 ， 防冻 保 护 开关 动作 报警 ； 室外 温 、 湿度及 焓值 监测 。 ③ 监控 系统 中 央工 作 站 对该 系统 的 主 要管
理功 能 。各类 参 数 、 态 、 警 信 息 及 系统 动 态 状 报 流程 图和 参数趋 势记 录 图的显示 与存储 ； 可改 变 各设 备 的“ 自动 ” 态 ， 手／ 状 并对 设 置 为 “自动 ” 状 态 的设备 直接进 行起 停 控 制和 调 节 ， 可修 改 风 机 的起 停时 间表及 一些设 定 值 ；统计 风机 累计运 行 时 间和能 量消 耗 ；打 印各类 报告 和 图表 ， 括 报 包
［ ］ 程大章． ３ 智能 建筑 理论 与工 程实 践 ［ ］ 北 京 ： Ｍ ． 机
械 工 业 出 版社 。ｏ ９ ２ｏ． 收 稿 日期 ： ０ ２一 １— ０ ２ １ Ｏ ３
气 冷却器 ， 只是 直 接 控 制 室 内温 度 ， 对 室 内相 而
（ 完 ，０ ２年第 ３期待续 ） 未 ２１
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态及 风机 运 行 状 态监 测 ， 机 运 行 时 间 累计 ， 风 风
对湿度 是 间接 控 制 。因此 ， 在运 行 中有 时 可能 会
大功率发光二极管可靠性和寿命评价试验方法
大功率发光二极管可靠性和寿命评价试验方法摘要：大功率LED的可靠性研究尤其是寿命评价测试具有重要的意义。
基于此，本文论述了大功率发光二极管可靠性和寿命评价试验方法。
关键词：发光二极管；可靠性；寿命评价试验方法发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)是一种固体冷光源，具有无污染、寿命长、耐振动和抗冲击的特点，特别是在全球能源极度短缺的背景下，大功率发光二极管在照明市场的应用前景备受瞩目，必将成为新一代光源。
此外，由于应用领域越来越广，发光管的可靠性研究显得日趋重要。
1 发光二极管概述发光二极管简称为LED，由含镓、砷、磷、氮等的化合物制成。
当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可用来制成发光二极管。
在电路及仪器中作为指示灯，或组成文字或数字显示。
它是半导体二极管的一种，可把电能转化成光能。
2 影响LED可靠性的因素2.1 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，所以紫外辐射引起封装料退化是合理的。
对封装材料的热退化，有试验研究表明：塑料在150℃左右会因单纯的热效应使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95℃，驱动电流≥40mA时，结温超过145℃，接近塑料变色的温度；当驱动电流小于30mA时，结温小于135℃，与之对应的LED退化率也小，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135℃～145℃；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，封装材料应是缓慢退化。
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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。
根据高温加速寿命得的结果外推其他温度下的寿命。
LED温度加速老化寿命测试原理是基于Arrhenius 模型。
利用该模型可以发现由温度应力决定的反应速度的依赖关系，即
式中L为寿命，Ea为激活能，A为常数，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。
因此测试温度应有两个，即还需测得另一个温度T2下器件寿命为L2。
可以求得激活能Ea。
样便可以求得温度
T1对某温度T3下的加速系数K3: 。
有：
可见实验需要测得同一批器件在两个不同温度下的寿命，然后推得其他温度下的寿命。
这就要求被测器件的数量应足够多，才能避免个性影响，而得到共性，即得到统计寿命值才真实。
LED从正常状态进入劣化状态的过程中，存在能量势垒，跃过这个势垒所需要的能量必须由外部供给，这个能量势垒就称为激活能。
可以看出，激活能越大曲线倾斜越大，与温度关系越密切，加速系数越大，温度越高加速系数越大。
由于器件向失效发展的机理不同，其能量势垒的高度也不同，所以其激活能量值Ea也不一样，就像其它半导体器件一样，根据激活能量值Ea推出失效机理，据此改进器件设计和生产工艺。
某一批次器件的Ea可看出近似相同。
2.电流加速寿命测试法
从图中可以看到，当驱动电流较小时，在老化的初始阶段衰减幅度较小。
当相对光功率衰减到P/P0<0.8~0.9以后，相对光输出功率与老化时间之间满足关系式:
（1）
其中α是拟合直线的斜率，它与驱动电流无关是一个常数为0.27，将t0定义为P/P0=1时的点，它是与电流强
度的大小有关，可表示为：
(2)
将（1）式进行适当的变换可以得到：（3）
联立 (2)、(3) 就可以计算出输出功率衰减到一半时(即P/P0=0.5)的寿命: （4）I F驱动电流强度，单位为mA；t F为老化时间，单位为小时。
以40mA为例，利用公式通过测量驱动电流为40mA时的寿命来推导LED在驱动电流为20mA时的寿命。
假设我们己经测得测量驱动电流为40mA时的寿命为，则驱动电流为20mA时的寿命为:
也就是说，驱动电流为20mA时的寿命为驱动电流为40mA时的寿命的6.498倍。
3. 普通条件外推法
当LED通过一定的电流时，认为它的光强随时间的衰减满足一定的指数关系，如下图所示。
其中B t为老化t小时后的亮度，B0为LED的初始亮度，而τ为与LED和电流值有关的常数。
通常把亮度降到B t=0.5B0所经历的时间T称为LED的寿命。
测定T要花很长的时间，通常以推算求得寿命。
在实际的测量过程中，给LED通额定工作电流20mA恒流源，点燃t1小时(其中t1一般为1000-10000小时之间)。
先后测得B t，B0，将这些数据代入
就可以求得常数τ，再把B t=0.5B0，这样就可以求得寿命T。
造成功率LED光衰的应力主要来自于结温的影响，因此对白光LED寿命的测试采用温度作为恒定加速应力比较合适。
失效判据
考虑到白光功率LED光通量的衰减，一个白光功率LED照明光源的有效寿命可以采用两种判据：•一种是在25℃的环境温度时光通量衰减到初始值的50％的工作时间；
•另一种是在同样工作条件下光通量衰减到初始值70％的工作时间。
3. 加速试验应力摸底
烘箱恒定温度Ta分别为85℃、125℃、150℃、165℃、175℃、185℃。
恒定时间96小时取出样管。
恢复1小时，再逐支测LED的光通量。
摸底试验结果表明：在125℃以下光通量在有限的时间内几乎没有变化，从150℃开始略有变化。
直至185℃下出现有1支样品管光衰较大。
由此选定165℃和175℃、185℃、350mA、96-180小时作为恒定加速应力的试验条件。
4. 实验数据处理
由阿仑尼斯模型给出计算不同结温的期望工作寿命和激活能的公式：(1)
P0为初始光通量；P为加温加电后的光通量；β为某一温度下的衰退系数：t为某一温度下的加电工作时间；由阿仑尼斯模型给出计算不同结温的期望工作寿命和激活能的公式：(2)β0为常数；Ea为激活能；k为波耳兹曼常数；I F为工作电流；Tj为结温；结温可按公式（3）求得：
（3）Tc为壳温；V F为正向电压；R j-c为结到壳的热阻。
1. LED的失效类别：
根据阿仑尼斯模型给出计算不同结温的期望工作寿命和激活
能的公式
P=P0exp(-βt)
β=β0Ifexp(-Ea/kTj)
式中： P0 为初始光通量; P 为加温加电后的光通量;β为某一温度下的
衰减系数; t为某一温度下的加电工作时间;β0为常数; Ea为激活能;k为波耳兹曼
常数(8 62×10 5eV);If 为工作电流;Tj为结温;而
Tj=Tc+Vf*If*Rj-c
式中：Tc 为 DUA的外壳温度;Vf 为正向电压;Rj-c 为芯片结到壳的热阻
[3]。
（注：素材和资料部分来自网络，供参考。
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